Presentació realitzada a la jornada ICC sobre agricultura i teledetecció (28/06/2012)

1. Agricultura de precisió amb els sensors de l’ICC
Luca Pipia - luca.pipia@icc.cat

2. 2
Agricultura de Precisió
Introducció
Sensors Hiperespectrals ICC
p p
Mapes Tèrmics de conreus(TASI)
Mapes Tèrmics d’alta resolució (TASI+DMC)
d alta
Evapotranspiració i Estrés Hídric (TASI+CASI)
Fertilització de conreus(CASI)
 Conclusions

3. 3
Introducció
Agricultura de Precisió
Analitza lavariabilitat espacial de parcel·les agrícoles amb tecnologies de posicionament global,
sensors, imatges satel·litals o aerees i Sistemes d’Informació Geogràfica (SIG) i dona
informació útil sobre la sembre i la fertilitació òptimes i la producció esperada.
Consell de Reg
Caracteritza l’ t t híd i d l conreus i hi d t t possibles condicions d' t è a
C t it l’estat hídric dels detecta ibl di i d'estrès
solucionar per optimitzar-ne la productivitat (quantitat i qualitat).
Fertilització
Satisfà les necessitats nutricionals dels conreus mitjançant aportacions orgàniques/minerals
que complementen el que el sòl pot subministrar gracies a la seva fertilitat.

4. 4
Sensors Avions ICC
Hiperespectrals ICC
C
T
CASI 550
Característiques del Sensor CASI 550 Partenavia P68
Interval espectral (nm) 408 – 956 nm
Interval del mostreig (nm) 1,9 nm
Resolució espectral (FWHM, nm) 2,2 nm
FOV 40.4º
40 4º
Número de bandes espectrals 288
Detectors del CCD 550 C
Relació senyal-soroll 600:1 (pic)
Rang dinàmic 14 bits T
Cessna Caravan
TASI 600
Característiques del Sensor TASI 600
q
Interval espectral (µm) 8.0 – 11.5
µm C
Interval del mostreig (nm) 110 nm
Resolució espectral (FWHM, nm) 110 nm
FOV 40º
Número de bandes espectrals 32
Detectors del CCD 640 Beechcraft B200GT
Rang dinàmic 14 bits

5. 5
Sensors Avions ICC
Hiperespectrals ICC
C
T
CASI 550
Paràmetres de vol segons el sensor CASI Partenavia P68
Resolució Amplada Altura del vol Bandes Bandes
Avions ICC
espacial (m) passada (m) (m) contigües seleccionables
0.5 275 378 16 12
Partenavia P 68
P-68 1 550 756 16 12
i 1.5 825 1133 32 22
Cessna Caravan 2 1100 1511 36 27
4 2200 3022 96 30 C
Cessna Caravan i 5 2750 3778 96 30
Beechcraft 6 3300 4533 144 30
7 3850 5289 144 30
T
10 5500 7556 144 30
Beechcraft 12 6600 9067 144 30
14 7700
1057
8
288 30 Cessna Caravan
TASI 600
Avions ICC
A i
Resolució espacial (m) Amplada passada (m) Altura del vol (m)
0.5 300 412 C
1 600 824
Partenavia/ Cessna 1.5 900 1236
Caravan 2 1200 1648
3 1800 2473
Beechcraft B200GT
4 2400 3297
Cessna Caravan 5 3000 4121

6. 6
Mapes Tèrmics de
p Radiació Entrant
conreus (TASI)
=
Fotosíntesi (F) ≈1%
+
Flux de calor sensible (H) : taxa de
calor cedida a l’aire per convecció i
conducció d
d ió deguda a l dif è i d
d la diferència de
temperatura
+
Flux de calor de sòl (G0) : taxa de
calor emmagatzemat al sòl i a la
vegetació per conducció (T,NDVI,Rn)
+
Flux de calor latent (λE) : taxa de
calor que l
l la superfície perd per
fí i d
evaporació d’humitat del sòl i
transpiració de la vegetació
(Evapotranspiració)
Model Físic Rn  H  G0  E  F

7. 7
Mapes Tèrmics de
conreus (TASI)
( )
Garnacha
Tempranillo
Graciano
Barreja T&G
Erm
Tudelilla (Rioja)
Adquisicions Simultànies CASI-TASI
Day Acquisitions Time Pixel Res IT
10/09/2010 A-CASI 14:34 1m × 1m 19 ms
10/09/2010 B-CASI 14:39 1m × 1m 19 ms
10/09/2010 C-CASI 14:43 1m × 1m 19 ms
Day Acquisitions Time Pixel Res IT
10/09/2010 A-TASI 13:35 1m × 1m 0.30 ms
10/09/2010 B-TASI 13:39 1m × 1m 0.30 ms
10/09/2010 C-TASI 13:44 1m × 1m 0.30 ms

8. 8
Mapes Tèrmics de conreus
(
(TASI)
)
Temperatura
(TASI) © Televitis (Universidad de la Rioja
(Estimació TES – NCEP ATM Prof)
25 [°C] 60

9. 9
Estès Hídrid I
CROP WATER STRESS INDEX
dT: Tfulles -Taire
dT  dTl
CWSI dTu : upper (Tfulles –Taire) = plantes amb 0% transpiració
dTu  dTl
dTl : lower (Tfulles –Taire) = plantes amb 100% transpiració
0% reg
100% reg
Dagdelen 2008 -Aydın- Turkey,Trigo (2003-2004)

10. 10
Estès Hídrid I
CROP WATER STRESS INDEX
dT: Tfulles -Taire
dT  dTl
CWSI dTu : upper (Tfulles –Taire) = plantes amb 0% transpiració
dTu  dTl
dTl : lower (Tfulles –Taire) = plantes amb 100% transpiració
0% reg
100% reg
Dagdelen 2008 -Aydın- Turkey,Trigo (2003-2004)

11. 11
Mapes Tèrmics de alta
p
resolució (TASI+DMC)
Càmera digital aerotransportada
TASI Pancromàtic:
13.500 x 8.000 px,
RGB + IR:
3.000 2.000
3 000 x 2 000 px
FOV: 74º x 44º
Resolució
radiomètrica:
12 bits
High
Low Resolution T NIR  RED
Downscaling Resolution NDVI 
[m] [cm] NIR  RED
High-Resolution T
[cm]

12. 12
Mapes Tèrmics de alta
p FLIGHT TASI CASI
(HIGH/LOW) (HIGH/LOW)
INTEG.
INTEG TIME 14 ms 14 ms
resolució(TASI+DMC) PIXEL SIZE
HEIGHT (ft)
0.4m/1m
1000/2460
0.5m/1m
1000/2460
# BANDS 32 5
SPECTRAL Ch:452,542,633,
[8µm:11.5 µm]
WINDOW 724,816
724 816 [nm]
Vinya Potencial Hídric de fulla ΨP
Experimental de
“Tempranillo”
p
(Vitis vinifera)
Raïmat, Spain
(Lat: 41º39’58”)
(Lon: 0º30’10”)
September 9 2011
9,
Kriging (IRTA Lleida©)

13. 13
Mapes Tèrmics de alta
resolució(TASI)
( )
TR NDVI llow   f  NDVI llow 
ˆ f : Ajusts Linear
Linear,
Quadràtic Cúbic
TRlow  TRlow  TR NDVI low 
ˆ ˆ ˆ
Estimació Offsets
TRhigh  TR NDVI high   TRlow
ˆ ˆ ˆ
[º C ]

14. 14
Mapes Tèrmics de alta
p
resolució(TASI)
[0.4mx0.4m] [3cmx3cm] [4cmx4cm]
DMC -NDVI TASI - DW
TASI - T

15. 15
Mapes Tèrmics de alta
p
resolució(TASI)
DMC -NDVI TASI - DW
TASI - T
[0.4mx0.4m] [3cmx3cm] [4cmx4cm]

16. 16
Evapotranspiració ETd
Radiació Neta Rn : energia radiant a nivell de coberta com resultat dels fluxos entrants i sortints
+
Rn
-
E
H
G0
Model Físic Rn  H  G0  E  .... Flux de calor sensible (H) : taxa de calor cedida a l’aire
per convecció i conducció deguda a la diferència de
temperatura
… es poden menysprear
els termes addicionals de Flux de calor de sòl (G0) : taxa de calor
fotosíntesi emmagatzemat al sòl i a la vegetació per conducció
(T,NDVI,Rn)
Flux de calor latent ( ) : taxa de calor que la
(λE)
superfície perd per evaporació d’humitat del sòl i
transpiració de la vegetació (Evapotranspiració)

17. 17
Evapotranspiració ETd
Radiació Neta Rn : energia radiant a nivell de coberta com resultat dels fluxos entrants i sortints

Rllw

Rsw
+
Rn
-
 
Rlw, Rsw
(VIS - SWIR - MWIR) : 0.3m,3m
   
Model Radiatiu Rn  R  R  R  R
(MWIR - LWIR) : 3m,100 m
sw sw lw lw
Estimacions de teledetecció

18. 18
Evapotranspiració ETd
Estació ModTran SW
(
(Radiosondatge)
g )
climatològica
(Perfil estàndard) TASI TASI
(Irradiància solar )
Model Radiatiu Rn  Rsw  Rsw  Rlw  Rlw  1   BB  BB K sun   BB Rlw   BBT 4
    
CASI Dia de l’any i hora
Broadband Transmissivity Broadband Albedo
Broadband Emissivity
Solar Irradiance [Wm-2] 4 m 4 m
   I TOA  d    I BOA  d 100 m
Ksun  I sc r0 r ,el ,az   BB  0.3 m
4 m
 BB  0.3 m
4 m
 BB
    B , T d
I TOA  d
3 m
I BOA  d 
  
  B , T d
100 m
0.3 m 0.3 m
BOA = Bottom-Of-Atmosphere 3 m
TOA = Top-Of-Atmosphere

19. 19
Evapotranspiració ETd
Estació ModTran SW
(
(Radiosondatge)
g )
climatològica
(Perfil estàndard) TASI TASI
(Irradiància solar )
Model Radiatiu Rn  Rsw  Rsw  Rlw  Rlw  1   BB  BB K sun   BB Rlw   BBT 4
    
CASI Dia de l’any i hora
Λ : Fracció Evaporativa (αBB vs T)
Model Físic Rn  H  G0  E  E  Rn  1    S-SEBI
Γ : Ratio Rn/G0 (NDVI,T, αBB )
( , ,
Cdi : Ratio Rn/Rnd
Evapotranspiració Diària: ETd = CdiλE/L
L : C l llatent d vaporització ( 2 45MJK -1)
Calor t t de it ió (= 2.45MJKg 1

20. 20
© Televitis (Universidad de la Rioja)
Evapotranspiració ETd
Broadband Albedo  BB
(CASI)
(Solar-Spectrum weighted AVG)
0 0.5

21. 21
Evapotranspiració ETd
Radiació Neta Rn
(CASI+TASI) © Televitis (Universidad de la Rioja)
Rn=(1-αBB)τBBKsun+εBBRlw↓-εBBσT4
0 [Wm-2] 580

22. 22
Evapotranspiració ETd
Flux de calor latent
λE=Λ(Rn-G0)
© Televitis (Universidad de la Rioja)
Evapotranspiració diària
ETd = CdiλE/L 0.5 [mmd-1] 4
Cdi calculated using Solar Irradiance Measurements in Calahorra (12 km)

23. 23
Evapotranspiració ETd
[mm day-1]
Vinya
Experimental de Raïmat, Spain
“Tempranillo”
Tempranillo (Lat: 41 39 58 )
41º39’58”)
(Vitis vinifera) (Lon: 0º30’10”)

24. 24
Estès Hídric II
Índex d’Estrès Hídric del Cultiu (CWSI)
ETREF ,d : ET Potencial diària de referència (FAO1998)
E ETd ETd
CWSI  1  d  1   1 ET0,d
: ET Potencial diària del Cultiu
 E0 ET0,d K c ETREF ,d
Kc : Factor de Cultiu
K c : Valor tabulat (FAO 1998) o determinat In-Scene amb INFO a priori sobre plantes no subjectes a estrès hídric
Equació de Penman–Monteith (FAO)
q ( )
0 . 408  R n  G    T  900 .15 u 2 e s  e a 
ET REF , d  273
Kc
   1  0 . 34 u 2 
0.7
C u2=velocitat del vent a 2m [m/s]
E l
s i es = Pressió de vapor de saturació [kPa]
0.45 t m ea= Pressió de vapor real [kPa]
a à
c t ea- es = dèficit de pressió de vapor [kPa]
i i
0.3 Δ = pendent corba de pressió de vapor [kPa ºC-1]
ó c
a γ= constant psicomètrica [kPaºC-1]
Conreu de referència (superfície extensa de pastura verda) de 0.12m, una
temps
resistència de 70 sm-1 i un albedo de 0.23

25. 25
Estès Hídric II
Valor Tabulat FAO Kc = 0.45
Kc
0.7
0.45
0.3
temps
Valor Estimat In-Scene Kc = 0.69
(Triple Reg => CWSI=0)
Triple Reg
0 1

26. 26
Estès Hídric II
Llindars : NDVI> Th1 T< Th2
In-Scene Kc CWSI relatiu
ET0 ETd
K cREF  1  CWSI REF  CWSI REL  1 -
ETd,REF K cREF ET0

27. 27
Fertilització
Estat t i i
E t t nutricional nitrogenat dels correus
l it td l Contingut d clorofil·la d l f ll
C ti t de l fil l de les fulles
Agricultura de Precisió
Identificació de parcel·les Decisions Estratègiques: aportacions
deficitàries tardanes de fertilitzants nitrogenats
Estat fenològic
Estadi primerenc Estadi avançat
Difícil discriminació Difícil èxit de la intervenció

28. 28
Fertilització λref =450 nm, 550 nm,670 nm, 700 nm, 830 nm,
450 670
Índexs de Vegetació
Teledetecció TCARI
Transformed Chlorophyll Absorption in Reflectance Index
y Ca acte t ac ó
Caracterització
Hiperespectral conreus
MCARI
Modified Chlorophyll Absorption in Reflectance Index
Models empírics/semi-empírics
empírics/semi empírics
Bandes 1 2 3 4 5 6 7 8
Lambda [nm] 424 458 492 525 559 593 627 661
Bandes 9 10 11 12 13 14 15 16
Lambda [nm] 695 730 764 799 833 868 903 939
CASI 550

29. 29
Fertilització
Blat de moro
(Zea mays)
Verges, Spain
(Lat: 42.04306º)
(Lon: 3 026016º)
(L 3.026016º)

30. 30
CASI 550
Fertilització vs
N-Tester HidroAgri
Descriptors Hiperespectrals
Anàlisi
Mesures In-Situ

31. 31
Conclusions
Agricultura de Precisió amb sensors hiperespectrals CASI-TASI (+DMC) de l’ICC
Caracterització tèrmica de conreus com entrada per a models d’estrès hídric (TASI-DMC)
 Estimació de l'evapotranspiració diària i d’estrès hídric de conreus per a l’optimització
de reg (TASI-CASI)
Estudi de la distribució espacial de la clorofil·la per optimitzar el procés de fertilització
(CASI)....work i progress....
(CASI) k in
Potencials dels instruments necessita el recolzament d’experts per al desenvolupament de
p p p
models de creixement i de decisions estratègiques....