Zemědělství
Zemědělství je zásadní pro zásobování společnosti potravinami. V současné době však podléhá mnohým výzvám, od narůstajícího znehodnocování půd, dostupnosti vodních zdrojů, rozmarů počasí a klimatu až po neudržitelné zemědělské postupy. Farmáři často čelí problémům kvůli nedostatku vody či drahým hnojivům a jiným chemickým produktům, které mají rovněž negativní dopad na životní prostředí. Družicové snímky mohou být nápomocné k zjištění problematických oblastí a základem pro následné analýzy.
Data z družic také umožňují najít dlouhodobé trendy anomálií porovnáním snímků za delší časové období. Pokud získaná data zahrneme do zemědělských modelů, můžeme předpovědět výnosy plodin. Na kontinentální a globální úrovni je schopnost odhadovat velikost úrody klíčem k předvídání výkyvů trhu a umožňuje přijmout odpovídající politiky.
Zemědělské monitorování je založeno na kombinaci družicových pozorování, meteorologických dat, zemědělsko-meteorologického a biofyzikálního modelování i na statistických analýzách. Z optických multispektrálních dat je možné sledování mnoha parametrů vztahujících se k úrodě a zdravotnímu stavu vegetace, jako jsou např. vegetační druh a oblast, Index listové plochy nebo NDVI (Obr. 1).
Zahrnutím těchto parametrů do předpovědních modelů můžeme získat informace o evapotranspiraci a na jejich základě optimalizovat zavlažování a hnojení. Množství slunečního záření a sněhová pokrývka jsou další parametry používané v modelech růstu úrody a v modelech evapotranspirace.
Hlavní přínosy využití družicových dat:
- Poskytují aktuální, nezávislé a kontinuální vstupy o globálních biofyzikálních parametrech pro monitorování úrody a předpovídání výnosů
- Umožňují pravidelné analýzy zemědělských oblastí, rostlinných druhů a jejich zdraví v globální měřítku
- Poskytují parametry potřebné pro zemědělské plánování, odhady potřeb zavlažování a stavu plodin
Služby evropského programu Copernicus poskytují zdarma řadu informací o krajinném pokryvu, využití území a jeho změnách, kterými podporují rozvoj venkova, zemědělství a potravinovou bezpečnost. Příklady produktů jsou:
- Mapy krajinného pokryvu a změn krajinného pokryvu včetně zemědělských oblastí
- Biofyzikální proměnné na globální úrovni jako je stav vegetace, vodní cyklus a energetická bilance
Stav vegetace
Přestože často považujeme rostliny a stromy kolem nás jako samozřejmost, téměř každý aspekt našich životů na nich závisí. Získáváme z nich potravu, absorbují oxid uhličitý, poskytují nám kyslík a materiály. Pokud se kolem nás vyskytnou dramatické změny ve vegetaci, naše zdraví, ekonomika a životní prostředí jsou také ovlivněny.
Abychom mohli účinně sledovat změny ve vegetaci a lépe porozumět, jak ovlivňují naše prostředí, vědci začali využívat nástroje dálkového průzkumu Země (DPZ) pro měření a mapování hustoty a zdraví vegetace na povrchu Země.
Rostliny pohlcují a odrážejí elektromagnetické záření určitým způsobem. Odrazivost vegetace je velmi nízká v modrém a červeném spektru viditelného záření, trochu vyšší v zelené části spektra a vysoká v blízkém infračerveném spektru. Zelené záření, které vidí naše oči, je chlorofyl vytvořen rostlinami během fotosyntézy. Chlorofyl odráží více světla v zeleném a blízkém infračerveném spektru ve srovnání s jinými vlnovými délkami.
Normální proces růstu rostliny může být narušen, pokud vegetace prochází periodu stresu. Pokud je rostlina ve stresu, vykazuje symptomy, které v některých případech nejsou viditelné lidským okem. Rostliny mohou být napadeny škůdci, plísněmi nebo mají nedostatek živin v půdě, což se projevuje na rostlině poškozením listů nebo zpomalením růstu. Změnou stavu vegetace se mění i produkce chlorofylu.
Pomocí nástrojů DPZ můžeme odhadnout množství chlorofylu v rostlině a pomocí různých indexů (např. Indexu listové plochy) odhadnout aktuální stav vegetace. Z družicových snímků také můžeme zjistit informace o půdní vlhkosti a dalších charakteristikách půdy. Na základě těchto informací můžeme určit oblasti s rostlinami ve stresu a použít pesticidy či hnojiva pouze ve vybraných oblastech, čímž snížíme náklady i množství chemikálií vypuštěných do půdy.
Odhad produkce
Dostupnost informací o potenciální velikosti sklizně v raném stádiu je velmi důležitá jak pro zemědělce, tak pro jednotlivé státy. Tato znalost umožňuje odhadnout budoucí zisky či připravit se na nedostatek potravin. Metody dálkového průzkumu Země umožňují odhadnout velikost sklizně pro rozsáhlé oblasti a jsou tak důležitým prvkem při zajišťování bezpečnosti potravin.
Základem dálkového průzkumu vegetace je znalost vztahu mezi odrazem elektromagnetického záření a rostlinami. Kombinací s doplňkovými daty např. o klimatických podmínkách z předpovědních modelů, je možné provést kvantitativní odhad konečné úrody v určité oblasti již v raném stádiu vegetačního období.
Kvantitativní hodnocení stavu plodin je možné s využitím vegetačního indexů, jako je např. NDVI (Normalized Difference Vegetation Index, Obr. 4).
Čím více viditelného světla rostliny během vegetačního období absorbují, tím více fotosyntetizují a jsou produktivnější. Naopak, čím méně viditelného světla pohltí, tím je fotosyntetická aktivita menší a rostliny vykazují nižší produktivitu. Získáním hodnot NDVI za delší období můžeme vytvořit průměr, který bude tvořit „normální“ vegetační podmínky pro vegetaci v daném regionu a daném časovém období. Následně může být hodnocen stav vegetace vzhledem k normě, čímž získáme informace o očekávané produkci v daném regionu. Pro zpřesnění výpočtů se data DPZ kombinují s klimatologickými, pedologickými a jinými údaji a následně vstupují do simulačních modelů.
Identifikace plodin
Významnou aplikací DPZ je mapování a identifikace zemědělských plodin. Pro každou zemi je velmi důležité vědět, jaké plodiny budou produkovány v daném roce, pro plánování i kontrolu zemědělců. Tradiční metody získávání informací o pěstovaných plodinách nejsou vhodné pro rozsáhlá území – zde mohou být data a metody DPZ účinným nástrojem pro rychlé a pravidelné získávání informací o jednotlivých plodinách na zemědělských pozemcích (Obr. 6).
Identifikace plodin je možná na základě analýzy družicového snímku především v infračerveném spektru. Rozdílné druhy plodin odrážejí blízké infračervené záření různým způsobem. Přestože tyto změny lidské oko nezaznamená, v infračerveném spektru můžeme tyto charakteristiky využít k identifikaci druhu plodiny.
Pozorováním různých druhů plodin a v kombinaci s katastrálními daty můžeme odhadnout, kolik půdy je využito na zemědělství a kolik půdy je využito pro kultivaci jednotlivých druhů plodin (Obr. 7). Spojení výsledků z analýz družicových dat, geografických informačních systémů (GIS) a dalších vstupních dat umožňuje pravidelnou kontrolu správného využívání zemědělských dotací.
Zemědělská půda
Během posledních dekád došlo k výrazným změnám krajinného pokryvu a využití země. Je pravděpodobné, že tyto změny budou pokračovat poháněny demografickým tlakem a klimatickými změnami. Jako součást zemské sféry, pedosféra reaguje a přispívá k těmto změnám. Pedosféra hraje klíčovou roli v ekosystému a je nepostradatelná v zabezpečení potravinové bezpečnosti.
Proto jsou potřebné nástroje pro zachování udržitelného ekologického stavu a zlepšování ochrany půdy. Implementace udržitelného zemědělství vyžaduje lepší pochopení půdy, ve stále vyšším rozlišení. Prostorové a časové informace o změnách vlastností půdy jsou potřebné pro klimatické a ekosystémové modelování, jakož i zemědělské a lesnické aplikace – erozní a odtokové simulace.
Konvenční metody pozemního sběru informací nejsou dostačující pro efektivní poskytování informací. Metody DPZ umožňují sběr globálních informací v pravidelných časovým intervalech a tím dokáží poskytnout prostorová data pro studium vlastností půdy v různých prostorových měřítkách a částech elektromagnetického záření.
Prostřednictvím technik DPZ a v kombinaci s dalšími údaji je možné získat informace o struktuře, vlhkosti, slanosti či degradaci půdy. Informace o minerálním složení povrchu půdy a obsahu organického uhlíku, či jiných prvků (Obr. 8).
Zdroje:
http://earthobservatory.nasa.gov/Features/MeasuringVegetation/
http://www.gisat.cz/content/cz/aplikace/zemedelstvi
http://www.seos-project.eu/modules/agriculture/agriculture-c00-p02.html