Copernicus Data Space: analiza danych satelitarnych w służbie rolnictwa
W Internecie dostępne są dwie bezpłatne platformy udostępniające zdjęcia z satelitów Sentimel. Dają one dostęp do kilku wskaźników świadczących o stanie upraw i wegetacji.
Ekosystem Copernicus Data Space to narzędzie umożliwiające analizę i przetwarzanie danych pochodzących z satelitarnej obserwacji Ziemi. Oferuje dostęp do dużych ilości otwartych i bezpłatnych danych pochodzących z satelitów Copernicus Sentinel, w tym zarówno nowych, jak i historycznych. Jego zadaniem jest zapewnienie użytkownikom narzędzi i zasobów potrzebnych do pełnego przetworzenia i wykorzystania zebranych danych i obrazów. Usługa ma na celu wspieranie użytkowników w tworzeniu różnych aplikacji potrzebnych do dostarczania dokładnych, aktualnych i obiektywnych informacji.
Program Copernicus: jak Unia Europejska wykorzystuje obserwację ziemi?
Program Copernicus to unijny program obserwacji Ziemi, w ramach którego analizuje się naszą planetę i jej środowisko, aby uzyskać maksymalne korzyści dla wszystkich obywateli Unii. W ramach programu dostępne są usługi informacji oparte na obserwacji satelitarnej Ziemi oraz dane in situ (inne niż dotyczące kosmosu).
Program jest koordynowany i zarządzany przez Komisję Europejską. Realizowany jest we współpracy z państwami członkowskimi, Europejską Agencją Kosmiczną (ESA), Europejską Organizacją Eksploatacji Satelitów Meteorologicznych (EUMETSAT), Europejskim Centrum Prognoz Średnioterminowych (ECMWF), agencjami UE i instytutem badawczym Mercator Océan.
W ramach programu analizuje się wzorce, a następnie wykorzystuje je do stworzenia lepszych prognoz, na przykład dotyczących oceanu i atmosfery. Na podstawie obrazów satelitarnych tworzy się mapy, określa cechy i anomalie oraz pozyskuje informacje statystyczne.
Użytkownicy końcowi mogą wykorzystać informacje dostarczane w ramach usług programu Copernicus na wiele różnych sposobów w wielu różnych dziedzinach. Są to m.in.: zarządzanie obszarami miejskimi, zrównoważony rozwój i ochrona przyrody, planowanie regionalne i lokalne, leśnictwo i rybołówstwo, opieka zdrowotna, ochrona ludności, infrastruktura, transport i mobilność, turystyka oraz rolnictwo.
– Misja poświęcona europejskiemu programowi Copernicus wspiera zastosowania operacyjne głównie w zakresie usług lądowych, w tym monitorowania odporności gleby i pokrywy wodnej, a także obserwacji śródlądowych dróg wodnych i obszarów przybrzeżnych. Bliźniacze satelity latają na tej samej orbicie, ale są przesunięte o 180°, a pełna specyfikacja misji jest tak zaprojektowana, aby zapewnić wysoką częstotliwość ponownych wizyt na równiku wynoszącą 5 dni – mówił dr Karol Lisicki z Politechniki Bydgoskiej podczas konferencji „Rolnictwo Precyzyjne”, zorganizowanej pod koniec ubiegłego roku przez KPODR.
Darmowy dostęp dla rolników do danych Copernicus. Jak z nich skorzystać?
Satelity posiadają ładunek odpowiednich instrumentów optycznych, które zbierają próbki z 13 pas widmowych. Szerokość pasa orbitalnego wynosi 290 km. Poszczególne pasma wyrażane są kolorami. Obrazują one to, co dzieje się na areałach plantacji wegetujących roślin. Informacje te są cenne ze względu na działalność rolniczą i leśną. Rozdzielczość pasm jest wyrażana w metrach i odnosi się do wielkości tak zwanego piksela terenowego. Wykorzystywane są więc 4 pasma przy 10 metrach, 6 przy 20 metrach i 4 pasma przy 60 metrach.
– Na danym obszarze mogą wystąpić różne pasma. Niebieskie, zielone, czerwone oraz czerwone krawędzie, które są bardzo istotne, jeśli chodzi o badanie stresu roślin. Jest bardzo dobrym induktorem tego czy w roślinie coś złego się dzieje. Pasmo bliskiej podczerwieni jest zaś istotne ze względu na turgor tkanek roślin i ich nawodnienie – informował dr Karol Lisicki.
Dostęp do informacji Programu Copernicus jest otwarty i bezpłatny. Wystarczy wejść na stronę: dataspace.copernicus.eu W prawym górnym rogu znajduje się zakładka „Copernicus browser” (przeglądarka), po jej kliknięciu uzyskujemy dostęp do map. Aby móc korzystać ze wszystkich funkcjonalności i pomiarów dokonywanych przez satelity, konieczna jest wcześniejsza rejestracja a potem zalogowanie. Proces nie jest skomplikowany. Wymagane jest podanie między innymi adresu e-mail, utworzenie hasła, kraju pochodzenia oraz zakresu tematycznego, który nas interesuje.
Strona pokazuje komunikat, że proces rejestracyjny zajmuje tylko 60 sekund i faktycznie przebiega sprawnie i szybko. W przeglądarce można zmienić język. Dostępna jest także wersja polska.
Przeglądarka pozwala na ustalenie tego, co się dzieje na danym obszarze. Można wpisać datę, jaka nas interesuje, a także określić okrywę chmur oraz to, z jakiego satelity interesują nas zdjęcia. Przeglądarka pozwala między innymi na wyrysowanie działek i zbieranie dla nich różnych informacji dotyczących stanu wegetacji. Dostępne są też dane statystyczne wyrażone w ujęciach wykresowych. Platforma pozwala także na analizę terenów w różnych konfiguracjach dzięki dostępności kilku warstw. Z rolniczego punktu widzenia cenna jest NDVI.
– To Znormalizowany Zróżnicowany Wskaźnik Wegetacji, który jest podstawowym wskaźnikiem wykorzystywanym cały czas w teledetekcji. Ważny z punktu widzenia agronomicznego, ale także leśniczego. Jest prostym, ale efektywnym wskaźnikiem służącym do ilościowego określania roślinności zielonej. Wskazuje stan zdrowia wegetacji w oparciu o sposób, jaki rośliny odbijają światło w określonych długościach fal. Zakres wartości NDVI wynosi od minus 1 do 1 – mówił dr Karol Lisicki.
Wartości zbliżone do minus 1 odpowiadają wodzie. Zbliżone do 0 przedstawiają obszary jałowe, niskie dodatnie obrazują łąki, zaś wysokie wskazują na gęstą i intensywną roślinność. NDVI to wskaźnik odnoszący się do różnicy wegetacji, który wykorzystuje dane z obrazów satelitarnych do oceny gęstości i kondycji roślinności. Pozwala odróżniać warstwę roślinną od innych, sztucznych rodzajów pokrycia terenu. Chodzi między innymi o zielone nawierzchnie obiektów sztucznych czy budowlanych.
W przeglądarce Copernicus znajduje się także warstwa NDMI. Odnosi się ona do wilgotności i pozwala określić wilgotność gleby i roślinności. NDMI opiera się na porównaniu odbicia światła w dwóch pasmach spektralnych – bliskiej podczerwieni (Near Infrared-NIR) i środkowej podczerwieni (Short Wave InfraRed-SWIR). Także wyrażany jest w skali minus 1 do 1, gdzie wartości dodatnie wskazują na obecność wilgoci a ujemne odnoszą się do jej braku. Odnoszą się do jałowych gleb. Wartość około 0 wskazują na stres wodny a wysokie dodatnie obrazują jego brak.
Przeglądarka dysponuje także wskaźnikiem NDWI. Odnosi się do obecności i zasięgu wód powierzchniowych. Pozwala zobrazować poziom nawodnienia mokradeł i bagien oraz pomaga monitorować ich występowanie i zasięg.
Ważnym elementem z punktu widzenia produkcji rolniczej jest pomiar podczerwieni krótkotrwałej SWIR. Pozwala na oszacowanie, ile wody znajduje się w roślinach.
QGIS: Zaawansowane Narzędzie do Monitorowania Upraw i Analizy Przestrzennej
Drugim wolnym, otwartym i nieodpłatnym oprogramowaniem do monitorowania stanu pól jest QGIS. Ma szerokie zastosowanie wykraczające znacznie poza rolnictwo. Umożliwia przeglądanie i zarządzanie danymi przestrzennymi, tworzenie własnych danych, wykonywanie różnego rodzaju analiz przestrzennych oraz tworzenie map.
– Program pozwala na prowadzenie bardzo szerokich analiz i monitoringu tego, co się dzieje na polu. Platforma Copernicus uwzględnia tylko kilka indeksów a tak naprawdę są ich setki. Są bardzo zaawansowane i pokazują znacznie więcej niż NDVI. Pozwala także na wkomponowanie zbieranych danych i wykonywanie dużej ilości obliczeń – mówił dr Karol Lisicki.
QGIS jest cenionym narzędziem zarówno dla profesjonalistów, jak i amatorów zajmujących się danymi przestrzennymi, oferując dostęp do zaawansowanych funkcji analitycznych w przystępnej formie. Jest stosowany między innymi do zbierania i integracji danych z różnych źródeł, takich jak pomiary GPS, dane satelitarne, skany map oraz dane z geoportali. Służy do analizy przestrzennej, tworzenia map i wizualizacji danych.
W branży rolnej QGIS umożliwia analizę obrazów satelitarnych i danych zdalnego pomiaru, co pozwala na śledzenie stanu upraw oraz identyfikację problemów, takich jak choroby roślin czy niedobory wody. Narzędzie to może być wykorzystywane przy planowaniu produkcji rolniczej poprzez analizę danych o glebie, klimacie oraz uwarunkowaniach geograficznych. QGIS umożliwia szacowanie plonów na podstawie analizy danych historycznych oraz bieżących warunków pogodowych. Oprogramowanie jest w stanie prowadzić analizy badania zmian w glebie oraz identyfikację erozji.
QGIS umożliwia analizę obrazów satelitarnych i danych zdalnego pomiaru, co pozwala na bieżące monitorowanie stanu upraw oraz identyfikację problemów (np. choroby roślin). QGIS wykorzystuje między innymi dane z satelitów, takie jak obrazy z misji Sentinel-2, które dostarczają informacji o stanie upraw na podstawie analizy spektralnej. Te dane mogą być używane do klasyfikacji gruntów oraz monitorowania zdrowia roślin.
Tomasz Ślęzak