GrasSAT - system do zarządzania produkcją użytków zielonych

GrasSAT - Tools for information to farmers on grasslands yields under stressed conditions to support management practices

Program/nr konkursu: Program „Badania stosowane” w ramach Norweskiego Mechanizmu Finansowego 2014-2021 / POLNOR 2019

Finansowanie: Narodowe Centrum Badań i Rozwoju
Okres trwania projektu: 1. czerwiec 2020 – 30. kwiecień 2024

Kierownik projektu: Centrum Teledetekcji, Instytut Geodezji i Kartografii
Prof. dr hab. Katarzyna Dąbrowska-Zielińska, e-mail:katarzyna.dabrowska-zielinska@igik.edu.pl

Partnerzy: Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu (PULS), Norwegian Institute of Bioeconomy Research (NIBIO), Norwegian Research Centre (NORCE), GEOMATIC Michał Wyczałek-Jagiełło

Cel projektu:

Głównym celem projektu jest opracowanie kompleksowo działającego systemu do zarządzania produkcją użytków zielonych, głównie dla średnich oraz dużych gospodarstw w Polsce i Norwegii. W ramach projektu zostanie opracowana w pełni działająca platforma w postaci aplikacji desktopowej i mobilnej.

Cele szczegółowe:

  • dostarczenie usługi w postaci aplikacji desktopowej i mobilnej w celu optymalizacji zarządzania gospodarstwem np. zmniejszenia zapotrzebowania na paszę uzupełniającą;
  • opracowanie metody oceny uszkodzeń łąk spowodowanych suszą lub zamieraniem zimowym na podstawie wieloźródłowych danych satelitarnych i ich synergii z danymi meteorologicznymi.

Opis prac:

Metodologia monitorowania warunków wzrostu traw i prognozy plonów będzie oparta na wykorzystaniu danych satelitarnych oraz referencyjnych danych in-situ, niezbędnych do opracowania wiarygodnych modeli charakteryzujących rozwój roślin. Wykorzystanie teledetekcji do oszacowania spodziewanych plonów na użytkach zielonych może pomóc rolnikom w przygotowaniu się do importu pasz oraz w wykryciu obszarów o wysokim stresie wodnym. Ponadto modele oparte na procesach mogą pomóc oszacować wpływ suszy lub wymarzania na plon. Projekt zakłada wykorzystanie danych naziemnych do kalibracji danych satelitarnych.

Wyniki badań:

Obszary testowe łąk zostały wybrane tak, aby reprezentowały użytki zielone w Polsce i Norwegii. Pomiary in situ zostały przeprowadzone na działkach należących do indywidualnych rolników. IGiK przeprowadził pomiary na 23 polach, a PULS na 24. NIBIO wykonało pomiary w pięciu lokalizacjach, obejmujących łącznie 18 pól w Norwegii, reprezentujących różne warunki klimatyczne i glebowe. Wykonano pomiary świeżej i suchej biomasy, wskaźnik pokrycia liści (LAI), wilgotność gleby oraz pobrano dane meteorologiczne. W Norwegii użyto kamer polowych do codziennego zbierania zdjęć warunków powierzchniowych. Monitorowano pokrywę śnieżną, topnienie śniegu, początek sezonu wegetacyjnego i wzrost trawy, co dostarczyło informacji o zagrożeniu mrozem i warunkach wzrostu trawy. Utworzono bazę danych ze wszystkimi pomiarami. Zastosowano dane z produktu High Resolution Layers (HRL) z serwisu Copernicus do wyznaczenia obszarów użytków zielonych dla wybranych lokalizacji testowych. Następnie opracowano mapy klasyfikacji łąk z podziałem na intensywne i ekstensywne. Podejście klasyfikacyjne opierało się na zastosowaniu serii czasowych danych satelitarnych Sentinel-2 o wysokiej rozdzielczości do rozróżniania głównych typów użytków zielonych. Zastosowano metodę klasyfikacji Random Forest. Obliczono szereg wskaźników roślinności, które wykazały korelację z biomasą, na podstawie danych Sentinel-2 oraz uzyskanych z serwisu Copernicus Land Monitoring Service (CLMS). Pomiary wskaźnika LAI porównano z danymi LAI z CLMS. Korelacja była wysoka. W drugim podejściu stworzono mapy LAI dla wszystkich użytków zielonych w województwach podlaskim i wielkopolskim (NUTS-2). Obliczono serie czasowe NDVI dla całego okresu badawczego, a tempo wzrostu NDVI związano z końcową biomasą. Wskaźniki roślinności były zestawiane w dziesięciodniowych interwałach, w wyniku czego uzyskano średnie wartości co 10 dni. Satelitarny wskaźnik suszy Drought Information Satellite System (DISS) oparty na danych meteorologicznych i satelitarnych został użyty do wykrywania suszy na polach, znajdując spadek biomasy z powodu niekorzystnych warunków wzrostu. Wykorzystano również wskaźnik NDII do oceny stresu wodnego roślin. Na niektórych obszarach pól wystąpił stres wodny roślin. Wyniki automatycznej oceny prognozy plonów różniły się w różnych regionach. Modelowanie biomasy przy użyciu BASGRA zostało skalibrowane dla warunków suszy w Polsce i warunków zimowych w północnej Norwegii. Automatyczne modelowanie biomasy trawy osiągnięto przy użyciu danych LAI z serwisu Copernicus dla warunków suchych w Polsce oraz dla użytków zielonych w Norwegii z warunkami wilgotnymi, korzystając z LAI i wskaźnika NDII. System dla rolników do monitorowania warunków wzrostu trawy był ważnym efektem projektu. Rolnicy mogą monitorować stan roślinności co pięć dni w okresie trzech pokosów trawy.

Wnioski:

Pomiary in situ przeprowadzone w Polsce i Norwegii umożliwiły kalibrację wskaźników pochodzących z satelitów, co było istotne dla weryfikacji dokładności przy tworzeniu modelu oceny biomasy. Pomiarów biomasy świeżej wykazały, że pierwszy pokos jest najbardziej istotny w odniesieniu do pokosu drugiego i trzeciego. Mediana dla pomiarów z pierwszego pokosu wynosiła 350 gm-2, dla drugiego pokosu było to 238 gm-2, a dla trzeciego pokosu 138 gm-2. Relacja między modelowaną a zmierzoną biomasą była wysoka. Wskaźniki roślinności obliczone z danych satelitarnych wskazywały, jak trawa rosła na każdej z działek, gdzie występował brak wody na polach rolników w Polsce oraz gdzie na polach wpływ mrozu na wzrost trawy w Norwegii. Do opracowania aplikacji GRASSAT wykorzystano nieodpłatne dane satelitarne z satelitów Sentinel-1 i Sentinel-2 z programu Copernicus. Dane z radarowego satelity Sentinel-1 (rozdzielczość 10 m) zostały użyte do określenia zmienności wilgotności gleby. Istniejący model wilgotności gleby opracowany w IGiK został skalibrowany przy użyciu zestawu pomiarów in situ (Dąbrowska-Zielińska et al. 2018). NDVI, NDWI i NDII zostały obliczone na podstawie zobrazowań z satelity Sentinel-2. Wskaźnik pokrycia liści (LAI), jako bardzo dobrze skalibrowany produkt, został uzyskany z serwisu Copernicus Land Monitoring Service w rozdzielczości 10 m.

Jako narzędzie do przekazywania informacji rolnikom na temat plonów z użytków zielonych, opracowany został system wspierający praktyki zarządzania. Zostały opracowane zarówno aplikacja desktopowa, jak i mobilna. Dane są dostarczane dla danego roku, poprzedniego roku oraz porównania danego roku z poprzednim rokiem. Dla każdego pola podano datę dostępnego obrazu satelitarnego. Im zielonejszy kolor pola, tym lepsze są warunki roślinności w danym roku, w poprzednim roku i w porównaniu lat. Produkcja biomasy na polu i jej zmienność wewnątrz pola opiera się na LAI, NDII, warunkach wilgotności gleby, warunkach termicznych - identyfikując dni z możliwym zagrożeniem zamarznięcia gruntu, wilgotności gleby, biomasy i zagrożeń. Aby pobrać produkt LAI (produkt z Copernicus Land Monitoring Service (CLMS)), aplikacja korzysta z API usługi WEkEO, europejskiego systemu DIAS Copernicus (Data and Information Access Services) do dostępu do danych środowiskowych, wirtualnych środowisk przetwarzania danych oraz wsparcia dla zaawansowanych użytkowników.

Publikacje i prezentacje:

  • Goliński P., Golińska B., Czerwiński M., Paszkowski A., Dąbrowska-Zielińska K., Impact of leaf area index on the grassland yield prediction, Proceedings of the 30th General Meeting of the European Grassland Federation, Grassland Science in Europe, Vol. 29, pp. 756-758. ARTYKUŁ
  • Goliński P., Golińska B., Czerwiński M., Paszkowski A., Dąbrowska-Zielińska K., Impact of leaf area index on the grassland yield prediction, 30th General Meeting of the European Grassland Federation, Leeuwarden, The Netherlands, 9-13 June 2024. POSTER
  • Persson T., Ancin Murguzur F.J., Davids C., Höglind M., Jørgensen M., Simulating grassland winter survival in high latitude regions using the BASGRA model, Proceedings of the 30th General Meeting of the European Grassland Federation, Grassland Science in Europe, Vol. 29, pp. 703-705. ARTYKUŁ
  • Panek-Chwastyk, E.; Ozbilge, C.N.; Dąbrowska-Zielińska, K.; Wróblewski, K. Assessment of Grassland Biomass Prediction Using AquaCrop Model: Integrating Sentinel-2 Data and Ground Measurements in Wielkopolska and Podlasie Regions, Poland. Agriculture 2024, 14, 837. ARTYKUŁ
  • Panek-Chwastyk, E.; Ozbilge, C.N.; Dąbrowska-Zielińska, K.; Gurdak, R. Advancing Crop Yield Predictions: AQUACROP Model Application in Poland’s JECAM Fields. Agronomy 2024, 14, 854. ARTYKUŁ
  • Dabrowska-Zielinska K., 2023, Approach based on innovated use of satellite data in the grassland management to increase yield and monitoring of grassland status, EuroGEO Workshop 2023, 2 - 4 October 2023, Bolzano, Italy.
  • Markowska A., Dąbrowska-Zielińska K., 2023, Mapy aplikacyjne w rolnictwie precyzyjnym – zarządzanie produkcją użytków zielonych, XLV Ogólnopolska Konferencja Kartograficzna, 20 - 23 września 2023, Lublin - Janów Lubelski.
  • Kluczek M., Dąbrowska-Zielińska K., Bartold M., Gurdak R., Goliński P., Jørgensen M., Persson T., Davids C., Wyczałek-Jagiełło M., 2023, Wykorzystanie danych teledetekcyjnych do wspomagania zarządzania użytkami zielonymi - projekt GrasSAT, V Ogólnopolska konferencja dla stutendów i doktorantów "Środowisko przyrodnicze jako obszar badań", 25 maja 2023, Poznań. ABSTRAKT
  • Grzybowski P., Gurdak R., Dąbrowska-Zielińska K., Kluczek M., Goliński P., Persson T., Davids C., Wyczałek-Jagiełło M., 2022, GrasSAT - system do zarządzania produkcją użytków zielonych, XXII Ogólnopolskie Sympozjum Naukowe Polskiego Towarzystwa Fotogrametrii i Teledetekcji, 26 - 28 września 2022, Kraków.
  • Gurdak R., 2022, Metody i techniki naziemnych badań na obszarach łąkowych i podmokłych, Seminarium pt. Badania satelitarne oraz in-situ na obszarze mokradeł (w tym obszar Biebrzy) do modelowania wymiany Ekosystemu Netto-NEE, 6 września 2022, Biebrzański Park Narodowy, Osowiec-Twierdza.
  • Gurdak R., 2022, Wykrywanie częstotliwości koszenia użytków zielonych za pomocą zdjęć satelitarnych Sentinel-2, Seminarium pt. Badania satelitarne oraz in-situ na obszarze mokradeł (w tym obszar Biebrzy) do modelowania wymiany Ekosystemu Netto-NEE, 6 września 2022, Biebrzański Park Narodowy, Osowiec-Twierdza.
  • Gurdak R., Dąbrowska-Zielińska K., Bochenek Z., Kluczek M., Goliński P., Persson T., Davids C., Wyczałek-Jagiełło M., 2022, Tools for information to farmers on grasslands yields under stressed conditions to support management practices, Living Planet Symposium, 23 - 27 May 2022, Bonn, Germany. POSTER
  • Dąbrowska-Zielińska K., Goliński P., Jørgensen M., Davids C., Persson T., 2021, Tools for information to farmers on grasslands yields under stressed conditions to support management practices – the GrasSAT project, Proceedings of the 21st Symposium of the European Grassland Federation Sensing – New Insights into Grassland Science and Practice, Grassland Science in Europe, Vol. 26, pp. 214-216. ARTYKUŁ
  • Dąbrowska-Zielińska K., Goliński P., Jørgensen M., Davids C., Persson T., 2021, Tools for information to farmers on grasslands yields under stressed conditions to support management practices – the GrasSAT project, 21st Symposium of the European Grassland Federation Sensing – New Insights into Grassland Science and Practice, 17 - 19 May 2021, online hosted by the Universität Kassel (Germany). ABSTRAKT
  • Gurdak R., Dabrowska-Zielinska K., Bochenek Z., Kluczek M., Golinski P., Persson T., Davids C., Wyczalek-Jagiello M., 2021, Tools for Information to Farmers on Grasslands Yields Under Stressed Conditions to Support Management Practices, 40th EARSeL Symposium 2021 European Remote Sensing-New Solutions for Science and Practice, 7 - 10 June 2021, online hosted by the University of Warsaw.
  • Gurdak R., 2021, GrasSAT – system do zarządzania produkcją użytków zielonych, Konferencja pt. Wykorzystanie Danych Satelitarnych i Danych Programu Copernicus w Administracji i Sektorze Prywatnym, 31 marzec – 1 kwiecień 2021, Warszawa. PREZENTACJA

  • Gurdak R., Dabrowska-Zielinska K., Grzybowski P., 2020, Tools for information to farmers on grasslands yields under stressed conditions to support management practices, 2020, SPIE Security + Defence Digital Forum, 21-25 September 2020, Edinburgh. POSTER