مراقبة صحة النبات باستخدام الأقمار الصناعية والطائرات بدون طيار: مؤشر الغطاء النباتي للغطاء النباتي (NDVI) ومؤشرات الغطاء النباتي

المكاسب:

• القدرة على شرح ما يقيسه مؤشر NDVI ومؤشرات الغطاء النباتي الأخرى وأي مؤشر مناسب وفي أي موقف.
• القدرة على تفسير خرائط الفهرس المنتجة من صور الأقمار الصناعية/الطائرات بدون طيار بمساعدة الذكاء الاصطناعي وتحديد أولويات مناطق التوتر
• القدرة على التخلص من الإنذارات الكاذبة من خلال التحقق من شذوذات الفهرس من خلال التحكم الميداني والأرصاد الجوية وعلم الفينولوجيا

إن التنقل في الحقل بالعين هو أمر بطيء ومضلل في نفس الوقت على مساحات كبيرة: فالعين تتعب، وتعتاد عليه، وتفتقد أنماطًا أكبر. ومع ذلك، عند النظر إليها من الفضاء أو من طائرة بدون طيار، تصبح صحة الغطاء النباتي خريطة رقمية ويتم الكشف عن المناطق المجهدة بوضوح، في وقت مبكر جدًا بحيث لا يمكن للعين ملاحظتها. الأداة الرئيسية لهذا التحول هي مؤشرات الغطاء النباتي: الصيغ التي تحول حيوية النبات إلى رقم من نسبة نطاقات الضوء المختلفة في الصورة. تقدم هذه الوحدة المؤشر الأكثر شيوعًا، NDVI، وأخواته، وتشرح الفرق بين القمر الصناعي والطائرة بدون طيار، وتوضح لك كيفية تفسير هذه الخرائط، والأهم من ذلك، التحقق من صحتها باستخدام الذكاء الاصطناعي.

دعونا نفهم الفيزياء أولا. تمتص ورقة التمثيل الضوئي السليمة الضوء الأحمر بكثافة (لأن الكلوروفيل يستخدمه) وتعكس الضوء القريب من الأشعة تحت الحمراء (NIR؛ الشريط الذي يقع خلف اللون الأحمر، وغير مرئي للعين) بقوة. عندما يصبح النبات متوترًا ويفقد الكلوروفيل، فإنه يمتص كمية أقل من اللون الأحمر ويعكس NIR أقل. يقيس NDVI (مؤشر الاختلاف الطبيعي للغطاء النباتي) هذا الاختلاف بالضبط:

NDVI = (NIR - أحمر) / (NIR + أحمر)

وتكون النتيجة بين -1 و+1. تعطي التربة والمياه العارية قيمًا قريبة من 0 أو سلبية؛ نبات متناثر 0.2-0.4؛ غطاء صحي كثيف في حدود 0.7-0.9. لا يقيس مؤشر NDVI المحصول أو المرض أو رطوبة التربة بشكل مباشر، بل يقيس فقط كثافة الغطاء الحي الأخضر. إن انخفاض مؤشر NDVI هو تحذير وليس تشخيصًا.

لماذا لا يكفي مؤشر واحد؟

إن مؤشر NDVI قوي ولكن به نقطتي ضعف. الأول هو التشبع: فعندما يصبح الغطاء كثيفاً للغاية (ولنقل، الذرة الناضجة)، يبلغ مؤشر الغطاء النباتي للغطاء النباتي ذروته عند 0.8-0.9 ولا يشير إلى المزيد من الزيادة في الكتلة الحيوية. والثاني هو تأثير التربة: في الغطاء المتناثر، يؤدي لون تربة الخلفية إلى تشويه المؤشر. ولهذا السبب تم تطوير مؤشرات مختلفة لمواقف مختلفة. ويلخص الجدول أدناه أكثرها استخداما؛ يعتمد الفهرس الذي تختاره على سؤالك.

مؤشر

ما هو جيد ل

ملاحظة

NDVI

صلاحية الغطاء العام

يوفر التشبع في غطاء كثيف

NDRE (الحافة الحمراء)

النيتروجين / الكلوروفيل في غطاء كثيف

حساس لـ NDVI في الفترة المتأخرة

جي إن دي في آي (أخضر)

حالة الكلوروفيل / النيتروجين

يستخدم الشريط الأخضر

سافي

غطاء متناثر، التربة العارية

يصحح تأثير التربة

NDWI/NDMI

محتوى الماء في النبات/التربة

أقرب إلى الإجهاد المائي

منزل

غطاء كثيف، وتصحيح الجو

يقلل من التشبع

تلميح: "أي فهرس؟" الجواب على السؤال هو مرحلة تطوير المنتج. سافي في الفترة المبكرة (غطاء متناثر)؛ NDRE/GNDVI في الغطاء الكثيف المعزز ومراقبة النيتروجين؛ في حالات الإجهاد المائي، غالبًا ما يكون NDWI/NDMI أكثر إفادة من NDVI.

القمر الصناعي أو الطائرة بدون طيار؟

فالموردان ليسا متنافسين بل مكملين لبعضهما البعض. تغطي الأقمار الصناعية (مثل Sentinel-2 وLandsat) مساحات كبيرة على فترات منتظمة مجانًا أو بتكلفة زهيدة، ولكن دقة وضوحها خشنة (بكسل 10-30 م) ويمكن أن تحجب السحابة الصورة. توفر الطائرة بدون طيار دقة عالية جدًا (بالبكسل والسنتيمترات) وتطير في أي يوم تريده، ولكنها تشغل مساحة صغيرة ويتطلب الطيران والتجهيز عمالة. الإستراتيجية العملية متعددة الطبقات: قم بمسح المزرعة بأكملها باستخدام القمر الصناعي وابحث عن المناطق المشبوهة، ثم قم بفحص تلك المناطق عن كثب باستخدام طائرة بدون طيار، وأخيرًا اذهب إلى الميدان.

كيف يفسر الذكاء الاصطناعي خريطة الفهرس؟

الذكاء الاصطناعي مهم في تفسير ليس الصورة نفسها، ولكن الملخصات الرقمية الناتجة عنها: متوسطات المنطقة، والتغير مع مرور الوقت، والاختلاف مع المناطق المجاورة. على سبيل المثال، إذا أعطيت الذكاء الاصطناعي ملخصًا مثل "انخفض الطرف الشمالي للمخطط 3 NDVI من 0.72 إلى 0.48 في آخر 12 يومًا، والطرف الجنوبي مستقر"، فسيساعدك ذلك على تحديد أولويات الأسباب المحتملة ووضع خطة للتحكم الميداني. لكن تذكر: "السبب" الذي يقترحه الذكاء الاصطناعي هو قائمة من الفرضيات. يمكن أن يكون سبب انخفاض مؤشر الغطاء النباتي للغطاء النباتي (NDVI) هو الإجهاد المائي، أو المرض، أو نقص المغذيات، أو الظهور غير المتكرر، أو تلف البَرَد، أو الظل السحابي، أو التربة المحروثة حديثًا. فقط المجال والأرصاد الجوية وعلم الفينولوجيا هو الذي يميز هذه الأشياء.

ثلاث حالات صغيرة: بالأرقام

الحالة 1 - التقاط التوتر المبكر. في حقل الذرة، كان مؤشر NDVI للقمر الصناعي أقل بمقدار 0.15 نقطة من المنطقة المحيطة في القسم الجنوبي الغربي من الحقل الذي تبلغ مساحته 8 دونم. ذهب المهندس إلى تلك المنطقة؛ تم العثور على انسداد في خط الري وتم إصلاح العطل قبل 6 أيام من ظهور الأعراض الظاهرة (الذبول). تم تجنب خسارة الإنتاجية المقدرة.

الحالة 2 - إنذار كاذب. وانخفض مؤشر NDVI فجأة في تاريخ قمر صناعي واحد في قطعة أرض للقمح. قالت منظمة العفو الدولية "مرض محتمل". إلا أن الأرصاد أظهرت وجود سحب كثيفة في ذلك اليوم؛ وفي الصورة التالية الخالية من السحابة، عاد مؤشر NDVI إلى وضعه الطبيعي. كان ظل السحابة بمثابة إنذار كاذب؛ لم يتم اتخاذ القرار بناءً على تاريخ واحد، بل تم النظر في السلسلة الزمنية.

الحالة 3 - اختيار الفهرس. وفي أحد حقول بنجر السكر المتطورة، كان مؤشر NDVI مشبعًا عند 0.85 في كل مكان ولم يُظهر أي اختلاف في النيتروجين. عند التحول إلى مؤشر NDRE، لوحظ نقص الكلوروفيل في النصف الشرقي من الحقل؛ أكد تحليل الأوراق نقص النيتروجين وتم تطبيق الضمادات المستهدفة على تلك المنطقة.

موجه ضعيف / موجه قوي

حث ضعيف:

هل هناك أي مشكلة في خريطة NDVI هذه؟ ماذا علي أن أفعل؟

مطالبة قوية:

دورك: مهندس زراعي مساعد بالاستشعار عن بعد. أقدم لك ملخصًا لسلسلة زمنية NDVI وNDRE حسب المنطقة (التاريخ، المنطقة، متوسط ​​القيمة). المهمة:- قم بإدراج المناطق التي تظهر انخفاضًا كبيرًا مع مقدار ومدة الانخفاض.- أعط 2-4 فرضيات السبب المحتمل لكل منطقة (الماء/المرض/المغذيات/التربة/السحاب).- اكتب في جملة واحدة كيف سأتحقق من ذلك ميدانيًا لكل فرضية.- ضع علامة على التغييرات المفاجئة ذات التاريخ الفردي بشكل منفصل لأنها قد تكون سحبًا/ظلال.- لا تقم بالتشخيص، والتوصية بالمبيدات الحشرية/الأسمدة؛ قائمة التحقق ذات الأولوية ver.Data:[ملخص السلسلة الزمنية]

تعمل المطالبة القوية على تحويل الذكاء الاصطناعي من آلة تشخيصية إلى مساعد لخطة تحديد الأولويات والتحقق؛ يكتب بوضوح عن فخ التاريخ الفردي والحد التشخيصي.

أربعة قوالب قابلة للنسخ

1) استشارة اختيار الفهرس:

المحصول: [المحصول]، مرحلة النمو: [المرحلة]، سؤالي: [الإجهاد المائي / النيتروجين / القوة العامة]. اشرح بإيجاز مؤشري الغطاء النباتي الأكثر ملاءمة لهذه الحالة، ولماذا، وميزتهما على مؤشر الغطاء النباتي للغطاء النباتي (NDVI). اكتب الصيغ أيضًا.

2) ملخص شذوذ السلاسل الزمنية:

في جدول المنطقة-التاريخ-NDVI أدناه: أدرج بشكل منفصل: (أ) انخفاضات بأكثر من 0.1 وتستمر لمدة تاريخين متتاليين على الأقل، (ب) قفزات بتاريخ واحد. لا تضف تعليقات، فقط قم باستخراج الجدول.

3) خطة المراقبة الميدانية:

قم بإعداد خطة رحلة ميدانية للمناطق ذات الأولوية التالية: اكتب القياس (الرطوبة، عينة الأوراق، فحص الجذر) الذي سأأخذه في كل منطقة وسبب الحاجة إليه. يوصي نقاط GPS إلى المركز الإقليمي.

4) مرشح الإنذار الكاذب:

قائمة مرجعية لاستبعاد انخفاض مؤشر الغطاء النباتي للفرق (NDVI) قبل اتخاذ القرار: السحابة/الظل، زاوية الظل، الحصاد/الإصدار، تاريخ الاستشعار، واتساق المنطقة المجاورة. حدد كل عنصر "هل تم فحصه؟" تقديم ك.

الأخطاء الشائعة

• اتخاذ القرارات بناء على تاريخ واحد. الغيوم والظلال والأجواء تشوه الصورة الواحدة. انظر دائمًا إلى السلسلة الزمنية.
• انخفاض NDVI = خطأ في المرض. الفهرس لا يذكر السبب؛ مشاكل المياه والمغذيات والتربة والمخرج تعطي نفس الانخفاض.
• تجاهل التشبع. يصل مؤشر NDVI إلى ذروته في الغطاء الكثيف؛ قم بالتبديل إلى NDRE/GNDVI في مراقبة النيتروجين.
• نسيان القرار. يمكن لوحدة البكسل الفضائية التي يبلغ طولها 10 أمتار أن تخفي رقعة ضغط صغيرة؛ هبوط الطائرة بدون طيار في الموقع المشبوه.
• تخطي الميدان. الخريطة عبارة عن إصبع السبابة. يتم التشخيص في التربة والأوراق.

ملاحظة: خريطة الفهرس تجيب على سؤال "أين يجب أن تنظر"، وليس على سؤال "ما هي المشكلة". إن ترجمة الرسم البياني مباشرة إلى قرار بشأن الدواء أو الأسمدة يمثل خطرًا للتدخل في السبب الخاطئ.

باختصار

تترجم مؤشرات الغطاء النباتي قوة النبات إلى أرقام من نسبة نطاقات الضوء المختلفة؛ على الرغم من أن مؤشر NDVI هو الأكثر شيوعًا، إلا أنه لا يناسب كل المواقف بسبب تأثيرات التشبع والتربة - حيث أن أشقائه مثل NDRE وSAVI وNDWI أقوى في بعض الأسئلة. القمر الصناعي هو المسح الواسع، والطائرة بدون طيار هي التفتيش الدقيق، والميدان هو طبقة التحقق النهائية. يعتبر الذكاء الاصطناعي ذا قيمة في تحديد أولويات ملخصات الفهرس ووضع خطة للتحقق؛ لكن المؤشر المنخفض هو فرضية، وليس تشخيصا. لا تقع في فخ التاريخ الفردي، اختر الفهرس حسب السؤال واختبر كل إشارة في الحقل.

مهمة التطبيق

قم بإعداد جدول صغير يحتوي على الأقل على ثلاثة قيم NDVI مؤرخة، وإذا أمكن، قيم NDRE لطرد (فعلي أو تمثيلي)؛ وضع قطرة متعمدة في منطقة ما وقفزة لمرة واحدة في التاريخ. قم بتسليمها إلى الذكاء الاصطناعي باستخدام قوالب "ملخص شذوذ السلاسل الزمنية" و"مرشح الإنذارات الكاذبة" في هذه الوحدة. في المخرجات، قم بتقييم ما إذا كان الذكاء الاصطناعي يمكنه فصل الانخفاض الفعلي عن الارتداد السحابي، وما إذا كان يحاول إجراء تشخيص، واكتب المقياس الوحيد الذي ستنظر إليه في الحقل لكل منطقة.

قائمة مرجعية

• [ ] لقد اخترت بوعي الفهرس (NDVI/NDRE/SAVI/NDWI) المناسب لسؤالي.
• [ ] لقد اتخذت قراري على أساس السلسلة الزمنية، وليس على الصورة الواحدة.
• [ ] قمت بتصفية القطرات المفاجئة في حالة السحب/الظلال/الانجرافات.
• [ ] لقد أخذت الأسباب التي قدمها الذكاء الاصطناعي على أنها فرضيات، وليس كتشخيصات.
• [ ] لقد خططت لإجراء قياس التحقق الميداني لكل منطقة ذات أولوية.