Określanie wilgotności gleb

Opracowanie metody określania zmian biomasy i wilgotności terenu na podstawie danych dostarczanych przez współczesne misje satelitarne

Grant No 4 T12E 026 30 (IGiK G-92)
Kierownik projektu: prof. dr hab. Katarzyna Dabrowska - Zielinska
Czas trwania: 12.04.2006 - 11.04.2009

W projekcie wykorzystuje się modelu tzw. „Water Cloud Model” (WCM), opisujący powierzchnię roślinną jako chmurę, opracowany przez Atema i Ulaby (1978) i zmodyfikowany przez Prevota (1993) i Champion (2000). Do modelu wprowadzane są wartości różnych parametrów roślinnych (biomasa, powierzchnia projekcyjna liści tzw. LAI) oraz wilgotności gleby, pochodzące z badań terenowych. Za pomocą tego modelu można obliczyć całkowitą wartość współczynnika wstecznego rozpraszania jako sumaryczną wartość sygnału pochodzącego od roślin oraz od gleby. Wartości współczynnika wstecznego rozpraszania zostaną obliczone dla każdej długości promieniowania mikrofalowego C, L oraz X (pozyskiwane za pomocą takich satelitów jak ENVISAT, ALOS, TERRA-SAR) oraz różnych kątów padania i polaryzacji wiązki radarowej. Inwersja modelu WCM pozwoli na uzyskanie z danych satelitarnych wartości parametrów roślinnych takich jak biomasa i LAI oraz wilgotność gleby pod roślinami. Weryfikacja wartości otrzymanych w stosunku do rzeczywistych pozwoli na określenie dokładności z jaką model ten może być stosowany. Mając możliwość wyznaczenia współczynnika wstecznego rozpraszania na podstawie zdjęć mikrofalowych można będzie stosując model WCM dla innego obszaru i w innym czasie uzyskać dane dotyczące biomasy i wilgotności gleby.

W ramach projektu w oparciu o dane wielo- i superspektralne otrzymane ze współczesnych misji satelitarnych zostaną również wyprowadzone nowe wskaźniki charakteryzujące biomasę i wilgotność gleby. Na podstawie przetworzonych danych satelitarnych pozyskanych w zakresie widzialnym i podczerwieni (ASTER, MODIS, CHRIS-PROBE, MERIS, AATSR) zostaną opracowane algorytmy szacujące parametry roślinne oraz wilgotność gleby wykorzystywane w modelu WCM. Parametry te zostaną następnie wprowadzone do w/w modelu w celu jego kalibracji zamiast analogicznych, ale pochodzących z pomiarów naziemnych. Parametry glebowo-roślinne obliczone na podstawie danych pozyskanych w widmie widzialnym i podczerwieni będą również porównane z odpowiednimi parametrami uzyskanymi w wyniku inwersji modelu WCM celu oszacowania dokładności ich predykcji.

Wynikiem realizacji wnioskowanego projektu badawczego będzie opracowana metoda określania wilgotności gleby i wielkości biomasy bazująca na danych pozyskiwanych za pomocą najnowszej generacji skanerów mikrofalowych, uzupełniana danymi z satelitów wielo- i superspektralnych. Za pomocą tej metody będzie można monitorować z dużą częstotliwością czasową aktualne warunki wilgotnościowe gleby i wielkość biomasy oraz określać kierunki i zasięg przestrzenny zmian w/w parametrów na dużych obszarach upraw rolnych.


Opracowanie modeli wzrostu i rozwoju zbóż w Polsce z zastosowaniem danych pozyskiwanych za pomocą teledetekcji

Grant Nr 5 T12E 026 23
Kierownik projektu: prof. dr hab. Katarzyna Dąbrowska - Zielińska
Czas trwania: 22.11.2002 - 21.11. 2005

Celem projektu było zbudowanie modeli wzrostu i rozwoju roślin do prognozowania plonu zbóż, wykorzystujących dane satelitarne rejestrowane codziennie z pokładu satelitów NOAA i obejmujące powierzchnię całego kraju. W pierwszej kolejności zastosowano model rekurencyjny PROBE obliczający wartości LAI, a następnie wielkość plonów na podstawie danych meteorologicznych. Następnie obliczono wartości LAI ze statystycznej zależności pomiędzy wskaźnikiem LAI a wyprowadzonymi ze zdjęć satelitarnych i pomiarów naziemnych wskaźnikami glebowo-roślinnymi. W trzeciej kolejności wprowadzono obliczone wartości LAI do modelu PROBE, w celu poprawienia dokładności wyników uzyskanych pierwotnie. Następnie przekształcono model PROBE w taki sposób, aby dane potrzebne do jego działania pochodziły z danych satelitarnych i meteorologicznych.

Model ten nazwany PLONSAT opisuje procesy zachodzące na wielkich obszarach rolniczych. Badania zostały skoncentrowane na obszarze zlokalizowanym w Wielkopolsce, na którym przeprowadzono wiele eksperymentów teledetekcyjnych. W trakcie badań terenowych wykonane zostały pomiary wybranych parametrów charakteryzujących wzrost i rozwój roślin oraz warunki wilgotnościowe gleby, jak również parametrów, które odpowiadają wielkościom rejestrowanym z poziomu satelitarnego (temperatura radiacyjna roślin, odbicie spektralne), oraz niektórych parametrów meteorologicznych. Wykonano także kartowanie struktury upraw oraz notowano aktualną fazę rozwojową roślin i ich kondycję.

Zdjęcia NOAA, odbierane przez stację satelitarną znajdującą się w IGiK, zostały poddane korekcji atmosferycznej z wykorzystaniem programu modelującego atmosferę 6S. Zdjęcia satelitarne ENVISAT MERIS, zakupione w ESA w ramach projektu CAT-1 1427, zostały wykorzystane do wykonania klasyfikacji upraw rolnych. Dzięki temu była możliwa lokalizacja i wybór tych pikseli ze zdjęć satelitarnych NOAA, w których przeważają uprawy zbożowe. Z danych NOAA zostały wyprowadzone wskaźniki takie jak roślinny NDVI i wilgotności H/LE. Na podstawie tych wskaźników został zbudowany model szacowania APAR i LAI. Następnie wyprowadzono algorytm szacowania plonów zbóż ze wskaźnika LAI otrzymywanego dla fazy rozwojowej charakteryzującej się maksymalną biomasą. Do modelu PLONSAT wprowadzono wartości LAI oraz wartości dobowej ewapotranspiracji obliczone dla każdego zobrazowania NOAA. W wyniku działania modelu otrzymano dobowe wartości APAR, LAI, ewapotranspiracji, a następnie został obliczony plon zbóż dla wybranych województw.

Nowa metoda szacowania produkcji zbóż na podstawie danych otrzymywanych z opracowanych modeli wzrostu i rozwoju roślin będzie dostarczać informacji jeszcze przed żniwami, co pozwoli zainteresowanym jednostkom gospodarczym na podjęcie odpowiednich decyzji ekonomicznych. Dane te mogą być wykorzystywane do właściwego zarządzania dużymi obszarami rolniczymi w Polsce zgodnie z polityką Unii Europejskiej.


Analiza warunków rozróżnialności upraw odwzorowanych na mikrofalowych zdjęciach satelitarnych

Grant IGIK G-83
Kierownik projektu: dr Krystyna Stankiewicz
Czas trwania: 25-08-2004 - 24-02-2007

W ramach misji europejskiego satelity ENVISAT działa urządzenie ASAR, którego parametry zostały dobrane tak, aby monitorowanie środowiska za pomocą zdjęć mikrofalowych było efektywne. Pojawiła się więc szansa na sprawdzenie, czy identyfikacja upraw z poziomu satelitarnego jest naprawdę skuteczna. Wątpliwości wynikają z tego, że wynik rozpraszania mikrofal zależy nie tylko od kształtu roślin, ale także od szeregu innych czynników, które mają przeważnie charakter losowy. Wilgotność powierzchniowa gleby, ilość wody zawartej w roślinach, kondycja roślin, stopień w jakim pokrywają one glebę – wszystko to wpływa znacząco na mikrofalowy obraz upraw. Największe znaczenie spośród wymienionych czynników ma wilgotność. Badania wykonane w różnych miejscach na świecie pokazują, że identyfikacja upraw na zdjęciach mikrofalowych jest najłatwiejsza w warunkach niewielkiego zróżnicowania przestrzennego wilgotności gleb. Potwierdziły to również badania prowadzone przez IGIK na terenie Wielkopolski. Obecnie chcemy znaleźć odpowź na pytanie, czy można osiągnąć równie dobre wyniki rozpoznania upraw w mniej korzystnych warunkach. Chcemy sprawdzić, czy uda się odpowiednio precyzyjnie identyfikować uprawy niezależnie od tego, czy na polu gleba jest wilgotna, czy sucha, czy rośliny rosną gęsto i są dorodne, czy też rosną rzadko i są mizerne. Poza tym interesuje nas wpływ doboru parametrów rejestracji zdjęcia na możliwość identyfikacji upraw.

W tym celu będziemy prowadzić badania terenowe, które poza sprawdzeniem tego, jaki rodzaj uprawy znajduje się na wybranym polu będą także obejmowały odnotowanie tych najważniejszych cech, które mogą wpłynąć na odwzorowanie danego pola na obrazie mikrofalowym. Do rozpoznawania upraw wykorzystuje się zdjęcia pozyskiwane w różnych terminach, więc i badania terenowe będą powtarzane, obejmując tym samym różne fazy rozwoju roślin. Dane zebrane w terenie posłużą do zbadania, czy i w jakich warunkach mikrofalowe zobrazowania dwu lub większej liczby upraw stają się podobne. Prace te mogą stać się przyczynkiem do opracowania takiej metody identyfikacji upraw na zdjęciach mikrofalowych, która miałaby zastosowanie praktyczne.


Identyfikacja zbiorowisk roślinnych oraz rozpoznawanie upraw na mikrofalowych zdjęciach satelitarnych jako podstawa opracowywania map użytkowania terenu

Kierownik projektu: dr Krystyna Stankiewicz
Czas trwania: 1.10.2001 – 31.12.2003

Projekt badawczy miał na celu sprawdzenie, w jakim stopniu satelitarne zdjęcia mikrofalowe mogą być stosowane do rozpoznawania różnych zbiorowisk roślinnych w Polsce. Chodzi tu głównie o takie zbiorowiska, które cechuje duża dynamika zmian w skali kolejnych lat. Badano możliwość rozpoznawania roślinności naturalnej oraz upraw na podstawie zdjęć mikrofalowych pozyskiwanych w paśmie C z satelitów ERS i ENVISAT.
Prace dotyczące rozpoznawania roślinności naturalnej dotyczyły bagien i torfowisk w basenie środkowym Biebrzy. Klasyfikacja miała dwa podstawowe cele: wyróżnienie łąk na różnych rodzajach siedlisk oraz identyfikację zakrzaczeń i zarośli w części Biebrzańskiego Parku Narodowego. Duża wilgotność siedlisk stanowi dodatkowy element przewodni w procesie klasyfikacji zdjęć mikrofalowych. Wykorzystano serię obrazów z satelity ERS-2. Zastosowane metody wstępnego przetwarzania i klasyfikacji automatycznej pozwoliły na prawidłową identyfikację roślinności niskiej.
Identyfikacji upraw była realizowana na podstawie zdjęć z satelitów ERS i ENVISAT w trakcie sezonu wegetacyjnego 2003 r. Prace terenowe koncentrowały się na obszarze testowym w Wielkopolsce. Zgromadzono dane dotyczące upraw na polach w tym rejonie, które służyły jako dane uczące i testowe do klasyfikacji nadzorowanej z zastosowaniem sieci neuronowych.
Na podstawie przeprowadzonych analiz sformułowano następujące wnioski dotyczące możliwości identyfikacji upraw na zdjęciach mikrofalowych:

  • możliwe jest rozróżnianie takich upraw, jak: rzepak, buraki cukrowe, kukurydza, lucerna oraz zboża łącznie;
  • rzepak, buraki cukrowe i kukurydza mogą być zidentyfikowane na zdjęciach mikrofalowych z dokładnością powyżej 90%;
  • rozróżnianie poszczególnych gatunków zbóż na zdjęciach mikrofalowych jest w zasadzie możliwe, ale ze względu na duże podobieństwo sygnatur dokładność wydzielania różnych gatunków zbóż może w istotny sposób zależeć od terminów i warunków pozyskiwania zdjęć.

Teledetekcyjny system monitorowania stanu roślin uprawnych

Kierownik: prof. dr hab. Andrzej Ciołkosz
Czas trwania: 01.07.1998 - 30.06.2001

Celem projektu badawczego było opracowanie systemu, który umożliwia wykorzystanie informacji pozyskiwanych za pomocą zdjęć satelitarnych do operacyjnego monitorowania stanu roślin uprawnych na obszarze rolniczej przestrzeni produkcyjnej kraju. W wyniku realizacji pracy została utworzona baza danych INFOSAT, w której gromadzone są dane dotyczą ce wielkości odbicia promieniowania widzialnego rejestrowanego przez skaner AVHRR oraz temperatury radiacyjnej roślinności. W bazie danych INFOSAT zgromadzono wartości albedo i temperatury radiacyjnej dla każdej dekady sezonu wegetacyjnego w okresie 1992 - 2000. Na podstawie tych danych zostały wyznaczone wartości Znormalizowanego Wskaźnika Zieleni NDVI oraz wskaźników pochodnych: Wskaźnika Kondycji Roślin VCI, Wskaźnika Temperaturowej Kondycji Roślin TCI oraz Wskaźnika Wzrostu Roślin WWR dla poszczególnych okresów oraz jednostek odniesienia przestrzennego.
Wskaźniki charakteryzują ce stan roślin porównano z informacjami agrometeorologicznymi. Przeprowadzono szczegółową analizę przebiegu suszy w Polsce w 1992 roku na podstawie materiałów agrometeorologicznych i modelu symulacyjnego opracowanego w IMUZ, a następnie porównano otrzymane wyniki z obrazem przestrzennego rozkładu wskaźnika TCI. Wyniki analizy wykazały, że za pomocą teledetekcji satelitarnej można określać obszary dotknięte suszą i śledzić dynamikę tego zjawiska w czasie i przestrzeni.


Zastosowanie zdjęć mikrofalowych z satelity ERS do szacowania wilgotności gleby pod zbożami

Grant Promotorski
Kierownik projektu: prof. dr hab. Katarzyna Dąbrowska - Zielińska
Czas trwania: 01.01.2000-21.10.2000

W ramach projektu badawczego opracowano metodę szacowania wilgotności gleby pod zbożami wyznaczają c szorstkość powierzchni zbóż za pomocą wskaźnika LAI i zawartość wody w roślinach poprzez ich fazę rozwojową . Na podstawie analizy procentowej zawartości wody w zbożach wyznaczono trzy klasy wilgotności roślin, którym przyporzą dkowano odpowiednie fazy rozwojowe zbóż. W każdej z wyróżnionych klas wilgotności zawierały się trzy klasy szorstkości reprezentowane przez różne wartości LAI. W drugim etapie prac przygotowano bazę danych satelitarnych i naziemnych, w której przeprowadzono analizy statystyczne w celu określenia zależności pomiędzy wilgotnością gleb pod zbożami i współczynnikiem wstecznego rozpraszania obliczanym z mikrofalowych zdjęć satelitarnych. Otrzymano wysokie współczynniki korelacji potwierdzają ce założenie, że wilgotność gleby pod zbożami może być obliczana na podstawie wartości współczynnika wstecznego rozpraszania otrzymywanego z mikrofalowych zdjęć pozyskiwanych w paśmie C przy polaryzacji pionowej VV, rejestrowanych przez satelitę ERS.


Wyznaczanie obszarów nadmiernie uwilgotnionych na wybranym terenie dotkniętym powodzią w 1997 roku na podstawie satelitarnych zdjęć radarowych

Kierownik projektu: Stanisław Mularz (AGH)
(współwykonawstwo z AGH Kraków)
Czas trwania: 01.06.1998-31.05.2000

W ramach projektu badawczego przeprowadzono analizę przydatności zdjęć radarowych systemu ERS-2 SAR do wyznaczania obszarów nadmiernie uwilgotnionych na obszarze dotkniętym powodzią w lipcu 1997 roku. W wyniku realizacji prac utworzono metodę analizy współczynnika wstecznego rozpraszania, umożliwiają cą wnioskowanie o wartościach wilgotności gleby. Uzyskane zależności statystyczne pomiędzy danymi satelitarnymi a pomiarami naziemnymi pozwoliły na modelowanie przestrzennego zasięgu wilgotności w postaci map o nadmiernym uwilgotnieniu.
W toku przeprowadzonych badań przeanalizowano również przydatność wykorzystania zintegrowanych satelitarnych danych radarowych (ERS-2 SAR) i danych optycznych (Landsat TM) w zakresie generowania map użytkowania terenu oraz map szacowania zmian wilgotności gleb, zwłaszcza zmian długookresowych.


Szacowanie powierzchni i struktury upraw z wykorzystaniem teledetekcji lotniczej i satelitarnej

Projekt IGIK PC-1
Kierownik projektu: prof. dr hab. Andrzej Ciołkosz
Czas trwania: 01.07.1997-01.04.1999

W ramach projektu badawczego opracowano metodę szacowania powierzchni i struktury upraw w Polsce z wykorzystaniem zdjęć lotniczych i satelitarnych. Przebadano różne sposoby stratyfikacji rolniczej przestrzeni produkcyjnej w celu określenia optymalnej metody wyboru pól testowych do szacowania powierzchni upraw. W ramach prac dokonano wyznaczenia rolniczej przestrzeni produkcyjnej w Polsce na podstawie analizy zdjęć satelitarnych Landsat TM. W drugim etapie prac przeprowadzono stratyfikację rolniczej przestrzeni produkcyjnej na trzy warstwy, różnią ce się intensywnością produkcji rolnej. Mapa stratyfikacji była podstawą do wyznaczenia obszarów testowych rozmieszczonych na obszarze badanych województw zgodnie z zasadami statystyki matematycznej. W kolejnym etapie prac dokonano terenowego uczytelnienia struktury upraw w granicach obszarów testowych, z wykorzystaniem zdjęć lotniczych. Informacja o strukturze upraw uzyskana w wyniku prac terenowych została następnie przetworzona w celu oszacowania powierzchni głównych typów upraw w granicach poszczególnych województw.
W okresie wegetacyjnym 1998 roku zastosowano opracowaną metodę do wyznaczenia powierzchni głównych typów upraw na obszarze 40 % kraju. Otrzymane wyniki zostały porównane z wynikami spisu rolnego przeprowadzanego przez Główny Urzą d Statystyczny w celu określenia dokładności i efektywności metody opracowanej w Instytucie Geodezji i Kartografii.


Zintegrowany system informacji o rolniczej przestrzeni produkcyjnej Polski

(współwykonawstwo z IUNG Puławy)
Kierownik projektu: prof. dr hab. Katarzyna Dąbrowska-Zielińska
Czas trwania: 1998 - 2000

W ramach projektu badawczego przebadano możliwości prognozowania plonów z wykorzystaniem teledetekcji satelitarnej. W celu zrealizowania pracy założono bazę danych satelitarnych pochodzą cych z satelitów NOAA, obejmują cą obszar całego kraju. W bazie umieszczono dane pochodzą ce z zakresów promieniowania widzialnego oraz podczerwieni termalnej, zagregowane w granicach regularnej siatki kwadratów o wymiarach oczka 4x4 km. Równocześnie utworzono bazę danych agrometeorologicznych AGROMET, zawierają cą dane meteorologiczne i agronomiczne dla obszaru całej Polski. Wykorzystują c obie wyżej wymienione bazy danych opracowano agro-teledetekcyjny model prognostyczny AgroTelMod GVI, bazują cy na wskaźnikach roślinności wyprowadzonych na podstawie zdjęć satelitarnych NOAA. Przebadano także możliwości stosowania innych modeli prognostycznych, uwzględniają cych wykorzystanie danych meteorologicznych: AgroMetTelMod GVI i TelSat/GVI. Przebadano dokładności szacowania plonów z wykorzystaniem różnych modeli prognostycznych.


Zastosowanie mikrofalowych zdjęć satelitarnych wykonywanych w różnej długości i polaryzacji fal do charakterystyki powierzchni glebowo-roślinnej

Kierownik projektu: prof. dr hab. Katarzyna Dąbrowska - Zielińska
Czas trwania: 01.07.1997 - 30.06.1999

W ramach projektu badawczego przeprowadzono klasyfikację upraw na podstawie kompozycji utworzonej ze zdjęć mikrofalowych wykonanych przez satelity ERS-2, JERS-1 i RADARSAT-1. Przeanalizowano możliwości wyznaczania stref glebowo-opadowych na mikrofalowych zdjęciach satelitarnych oraz wpływ powierzchni glebowo-roślinnej na wartości współczynnika wstecznego rozpraszania dla różnych polaryzacji fal. W toku prac stwierdzono, że do określania wilgotności gleb najbardziej przydatne są zdjęcia wykonywane przez satelitę JERS w paśmie L (23.0 cm), natomiast zdjęcia wykonywane w paśmie C (5.7 cm) w zależności od polaryzacji fali informują o wilgotności samych roślin i ich szorstkości zwią zanej ze strukturą upraw.

W ramach prac badawczych została przeprowadzona integracja informacji pochodzą cej z trzech systemów radarowych zainstalowanych na satelitach ERS, JERS i RADARSAT dla potrzeb charakteryzowania powierzchni glebowo-roślinnej.


Opracowanie metody oceny stanu roślinności na podstawie zdjęć wykonywanych z satelitów NOAA

Kierownik projektu: dr inż. Zbigniew Bochenek
Czas trwania: 01.07.1996 - 31.12.1998

W ramach projektu badawczego utworzono system oceny stanu roślin uprawnych na obszarze Polski z wykorzystaniem zdjęć satelitarnych NOAA/AVHRR. System powstał we współpracy z Kanadyjskim Centrum Teledetekcji - CCRS oraz firmą INTERMAP. Opracowano technologię pozyskiwania i przetwarzania zdjęć z satelitów NOAA z wykorzystaniem specjalistycznego oprogramowania do korekcji geometrycznej i radiometrycznej. Utworzono historyczną bazę danych satelitarnych NOAA/AVHRR niezbędną dla właściwego funkcjonowania systemu. Opracowano metodę porównawczej oceny stanu upraw na podstawie analizy znormalizowanego wskaźnika zieleni NDVI w roku bieżą cym i roku odniesienia (średnim lub poprzednim). W finalnej fazie prac opracowano formy końcowe działania systemu w postaci map i obrazów porównawczych charakteryzują cych stopień rozwoju roślin uprawnych na obszarze poszczególnych jednostek administracyjnych.