استخدام التصوير المتعدد الأطياف لرصد المحاصيل والتربة في مشاريع الزراعة المدنية

مقدمة للتصوير المتعدد الأطياف في الزراعة

:: تحولت المركبات الجوية غير المأهولة، المعروفة عادة باسم الطائرات بدون طيار، إلى كيفية اقتراب المشاريع الزراعية الحديثة من رصد المحاصيل والتربة، وذلك عن طريق تجهيز هذه المنصات بمستشعرات متعددة الأطياف، والمزارعين، والمهندسين الزراعيين، والمهندسين المدنيين، من حيث القدرة على جمع البيانات إلى أبعد من ما يمكن أن يتصوره الإنسان، حيث يلتقط التصوير المتعدد الأطياف الضوء المعبر عن النباتات والتربة عبر نطاق متعدد الموجات الضيقة،

وتحتاج مشاريع الزراعة المدنية، التي تتراوح بين مخططات الري المدعومة من الحكومات وعمليات زراعية خاصة كبيرة، إلى بيانات دقيقة في الوقت المناسب لاتخاذ قرارات مستنيرة بشأن الزراعة والري والتخصيب ومكافحة الآفات، وتشكل الدراسات الاستقصائية الأرضية التقليدية تحديات كثيفة العمالة وبطيئة، وكثيرا ما لا توفر سوى عينات قليلة من النقاط في كل ميدان.

أساسيات تكنولوجيا التصوير المتعدد الأطياف

كيف يعمل جهاز الاستشعار المتعدد الأطياف

- أجهزة الاستشعار المتعددة الأطياف تلتقط الإشعاع الكهرومغناطيسي المظهر من عدة مجموعات متفاوتة، وخلافاً للكاميرات المعيارية للترددات العالية التي لا تسجل سوى القيم الحمراء والخضراء والمجسات المتعددة الأطياف تضيف مجموعات في النطاقات الخفية القريبة من الأشعة وأحياناً الأحرارية، وتقابل كل مجموعة من هذه النماذج نطاق موجي محدد يختار لربطها بالضوء أو تحليل التربة.

أنواع أجهزة الاستشعار المتعددة الأطياف للمركبات

وهناك عدة كاميرات تجارية متعددة الأطياف متاحة للتكامل بين الغلاف الجوي العالمي، حيث يمكن أن تشمل سلسلة ميكانيكيات الطاقة الحمراء، وبارروت سيكويا +، وجهاز رصد متعدد الأطياف التابع للشركة الألمانية في الزراعة، وتشمل هذه أجهزة الاستشعار عادة خمسة أو ستة نطاقات: زرقاء، وخضر، وحمراء، وحمراء، وجهاز لاسلكي، وأحياناً إطار للثدي الحراري، وهي نماذج للثبات الخفيف (دون 200 غرام).

اقتناء البيانات وتجهيز سير العمل

ويشمل تدفق العمل للتصوير المتعدد الأطياف على الموجات فوق البنفسجية عدة خطوات:

1. Flight Planning:] Using software such as DJI Pilot, Pix4Dcapture, or Drone Deploy, operators define the survey area, overlap percentages (90% forward, 75% side), altitude (typically 30 to120 meters), and ground sampling distance (GSD). Higher overlap ensures accurate stitch into orthomosa
2. Data Collection:] The UAV flies autonomously, capturing images at a prescribed interval. A calibration panel (reflectance target) is imaged before or after the flight to enable radiometric calibration.
3. Image Stitching and Orthorectification:] Photogrammetry software like Pix4Dmapper, Agisoft Metashape, or DJI Terra processes the raw images into a georeferenced orthomosaic and a digital surface model (DSM). Ground control points (GCPs absolute accuracy) may be used to improve improved.
4. Calculating Vegetation Indices:] The orthomosaic is processed to generate index maps-NDVI, NDRE (Normalized Difference Red Edge), SAVI (Soil Adjusted Vegetation Index), etc. These maps highlights variability in crop health, nutrient status, and water content.
5. Analysis and Reporting:] The index maps are imported into GIS or farm management software (e.g., QGIS, ArcGIS, FarmWorks) to create prescription maps for changing rate applications, identify problem zones, and track changes over time.

تعلم المزيد عن الـ NDVI من وكالة USGS ]

الطلبات المقدمة في مشاريع الزراعة المدنية

رصد صحة المحاصيل وكشفها

ويمكن أن تؤدي الإجهاد المائي، والعيوب المغذية )لا سيما النيتروجين(، وإصابة الآفات، والمرض، إلى إحداث تغييرات فرعية في التفسخ الطيفي، مثلاً، إلى انخفاض عدد الخيوط التي تستهلكها الخرائط الصناعية، وإلى انخفاض عدد الخنازير التي تُستخدم فيها الخرائط الزراعية، وإلى انخفاض قيمة الأشعة دون الافتراضية.

تحليل التربة وإعداد الأراضي

فقبل الزراعة، يمكن للصور المتعددة الأطياف والحرارية أن تقيّم خصائص التربة، فإظهار التربة في إطار النطاقات المرئية ومجموعات النقل غير المباشر ذات المحتوى العضوي، والنسيج، والرطوبة، مثلاً، تبدو التربة ذات المادة العضوية العالية أكثر ظلماً، وتبدو فيها انعكاسات أقل على الإطلاق، وكثيراً ما تحافظ مناطق التوارث على الرطوبة، وتظهر في مساحات المياه الحرارية أو في مناطق الدفأ.

الزراعة الدقيقة وتكنولوجيا المقار المتغيرة

(ج) تطبيقات أسعار الصرف المتغيرة للأسمدة ومبيدات الآفات والبذور هي حجر الزاوية في الزراعة الدقيقة، وتُستخدم خرائط المؤشرات المتعددة الأطياف كمدخلات لوضع خرائط وصفية، مثلاً، يمكن وضع خريطة وصفية للنيتروجين من قيم مؤشر التنمية الصناعية أو مؤشرات الكلوروفيل التي كثيراً ما تتلقى مؤشرات أعلى للنيتروجين، في حين أن المناطق العالية المؤشرات تتلقى أقل أو لا تقلل من هذه المعايير.

الإدمان على المحاصيل والنماذج

ويمكن أن تؤدي الرحلات الجوية المتعددة الأطياف المتكررة طوال موسم النمو إلى نماذج نمو المحاصيل التي تقدر العائد النهائي، ويمكن أن تؤدي الأرقام القياسية للنباتات المتراكمة بمرور الزمن، ولا سيما في المراحل الرئيسية من حيث التكنولوجيا مثل ضخ الزهور أو ملء الحبوب بقوة مع المحاصيل، وعندما تقترن ببيانات الطقس وخرائط التربة، يمكن أن تنتج البيانات القائمة على أساس التليفزيون الفوق الصوتي توقعات عن المحاصيل بدقة في حدود ٥-١٠ في المائة من عمليات الحصاد الفعلية.

إدارة الري وكفاءة استخدام المياه

ويكشف جهاز الاستشعار الحراري المتعدد الأطياف درجة حرارة الكانوب، التي ترتبط بالعكس بمعدل التحول، ويسمح هذا النوع من المحاصيل المجهزة بالمياه بالبستات القريبة، مما يؤدي إلى ارتفاع درجات حرارة الورق، ويوضح مؤشر كروب ستريت للتوترات المائية، المستمد من قياسات الحرارة الحرارية والجوية، أين يلزم الري، ويساعد الجمع بين هذه المحاصيل وبين مادة النيتروز على التمييز بين النباتات المميتة أو النباتية.

ألف - المزايا على أساليب الرصد التقليدية

القرار المكاني والتمهيدي

ويتيح التصوير المتعدد الأطياف مزيجا فريدا من القرار المكاني العالي (2-10 سم من أسلحة الدمار الشامل) والتغطية الزمنية المرنة، وقد تعيد السواتل النظر فيها كل 5-16 يوما ويمكن أن تُعيقها الغيوم، وحملات الطائرات باهظة الثمن ومزمعة قبل أسابيع، وبوجود طائرة واحدة من طراز UAV، يمكن للفريق أن يطير في نفس الميدان في نفس اليوم الذي يمطر فيه، إذا لزم الأمر، بيانات قبل تغير الظروف.

التكلفة - الأثر

وبالنسبة للميادين التي تصل إلى بضع مئات من الهكتارات، فإن الرصد القائم على أساس الطائرة الواحدة هو أرخص من الطائرات المأهولة، وغالبا ما يكون أرخص من أخذ العينات الأرضية المكثفة، عندما يتم حساب العمالة والوقت والمعدات، وأربعة أضعاف تكاليف الكاميرا المتعددة الأطياف تتراوح بين ٠٠٠ ١٠ دولار و ٠٠٠ ٣٠ دولار، في حين أن اشتراكات البرامجيات والتدريب تضيف تكاليف متكررة، وفي موسم متنام، الوفورات من المدخلات ذات القيمة المثلى )٠,٠ في المائة في المائة في المائة في المائة في المائة(.

السلامة وإمكانية الوصول

وتقضي المركبات الجوية غير المرخصة على ضرورة أن ينتقل العمال إلى الحقول المتناثرة على الأقدام أو في المركبات، مما يقلل من المخاطر الناجمة عن الحرارة أو المواد الكيميائية أو الأراضي الخام، كما أن الطائرات المفلورة أو الطينية أو المناطق الحادة تصبح متاحة من الجو، وبالنسبة لمشاريع الزراعة المدنية في المناطق النائية أو المتأثرة بالنزاعات، يمكن للطائرات بدون طيار أن تقدم بيانات ميدانية دون تعريض الأفراد للخطر.

تكامل البيانات والتألق

يمكن تحميل برامجيات حاسوبية حديثة تعمل بالأشعة فوق البنفسجية على أجهزة المعلومات عن إدارة المزارع، ويمكن تحميلها على لوحات السحب المجهزة، حيث تُعَلّم الخوارزميات تلقائياً مناطق المشاكل وترسل تنبيهات إلى الأجهزة المحمولة، مما يتيح نظاماً قريباً من الوقت لدعم القرارات يتسم بأهمية خاصة بالنسبة للمشاريع الكبيرة ذات أصحاب المصلحة المتعددين.

التحديات والنظر في المسألة

القيود التنظيمية

(أ) لدى كل بلد لوائحه الخاصة بالطائرات فوق البنفسجية بشأن ارتفاع الرحلات الجوية (التي تقتصر في كثير من الأحيان على 120 متر/400 رطل فوق الأرض)، خارج نطاق عمليات البصر، والترخيص التجريبي، وفي مشاريع الزراعة المدنية التي تغطي مناطق واسعة ومتشابكة، ستكون رحلات BVLOS أكثر كفاءة، ولكن الإعفاءات يصعب حاليا الحصول عليها في العديد من الولايات القضائية، كما يجب على المشغلين تسجيل الطائرات الآلية والمناطق غير المأهولة بالقرب من المطارات العسكرية؛

حجم البيانات وتجهيزها

ويمكن أن تلتقط رحلة واحدة متعددة الأطياف آلاف الصور، مما يؤدي إلى عشرات من الجيغابايت من البيانات الخام، وتتطلب المعالجة حواسيب قوية، وبرامجيات متخصصة لقياس التصوير، وموظفين مهرة، ويمكن أن يؤدي معايرة غير صحيحة أو سوء تخطيط الرحلات إلى ظواهر أوتوماتيكية ذات آثار حرارية، مثل ضم النطاقات أو سوء الطلاء، مما يجعل التحليل غير موثوق به، كما أن القائمين بالتدريب في كل من عمليات الطيار وتجهيز البيانات أمر أساسي.

الحساسية من الطقس والبيئة

ويتطلب التصوير المتعدد الأطياف ظروفا ضوئية متماسكة، فالألواح أو الهزات أو التغييرات المفاجئة في زاوية الشمس تؤدي إلى تبدل لا بد من تصحيحه بألواح قياسية إذاعية، كما أن الرياح العالية (على مسافة 20 كيلومتراً/ساعة) تقلل من استقرار الرحلات الجوية ونوعيتها، وتحظر الرين الرحلات الجوية، وفي المناخات المدارية، يمكن أن تؤدي النوافذ الجوية الضيقة إلى تأخير جمع البيانات الحيوية.

الاحتياجات من الخبراء

ويقتضي تفسير البيانات المتعددة الأطياف معرفة دقيقة بالفيزياء النباتية وعلم التربة والاستشعار عن بعد، وقد يؤدي سوء تفسير التغيرات التي طرأت على مادة النيتروجين (مثلاً، الإغلاق المسبب للإجهاد) إلى أخطاء باهظة التكاليف، ويُشار إلى أن العديد من مشاريع الزراعة المدنية شريك في شركات العضلات أو يستأجر أخصائيين في الاستشعار عن بعد لسد الفجوة.

دراسات الحالات: التنفيذ الناجح

رصد القمح في البلاستيك الهندي

وفي الهند، استخدم مشروع حكومي يغطي 000 100 هكتار من القمح مركبات متعددة الأطياف لرصد حالة النيتروجين، كما أن خرائط النيتروجين الوطنية الأسبوعية لا تسمح للمزارعين بتطبيق النيتروجين إلا عند الحاجة، مما يقلل من الاستخدام الإجمالي بنسبة 18 في المائة، بينما يزيد من العائد بنسبة 6 في المائة مقارنة بالتطبيق الشامل، كما درب المشروع مشغلي الطائرات المحلية بدون طيار، مما أدى إلى خلق فرص العمل في المناطق الريفية.

الوصول إلى العلاج الأمثل في البرازيل

ونشرت تعاونية للسكر في ساو باولو أجهزة متعددة الأطقم ذات أجهزة استشعار حراري لكشف الإجهاد المائي، وهي مقترنة بمستشعرات رطب التربة، وأعلمت البيانات بالجدول الزمني للري الذي يخفض استهلاك المياه بنسبة 22 في المائة دون فقدان غلة، وتطير التعاونية الآن 500 هكتار يومياً، وقد أدرجت البيانات في نظام تخطيط موارد المؤسسة.

رصد ارتحال التربة في تلال رواندا

وبعد بناء المراعي للبن والذرة، استخدم مجلس الزراعة الرواندي دراسات استقصائية متعددة الأطياف لتتبع استعادة الغطاء النباتي واستقرار التربة، ومقارنة مؤشرات الغطاء النباتي والمسح الطفيفيف فوق موسمين، حدد المجالات التي تتطلب الصيانة قبل تدهور التحات، وقلل البرنامج معدلات الفشل في الترسب بنسبة 40 في المائة وأدرج في الخطة الوطنية للتكيف مع المناخ.

الآفاق المستقبلية والاتجاهات التكنولوجية

التصوير الهيدروجيني

وتلتقط أجهزة الاستشعار الهيدروجينية مئات من النطاقات الضيقة، مما يوفر حتى التمييز الطيف، وفي حين أن التصغير في الوقت الراهن باهظ التكلفة والسوائب، سيعمل على ذلك قريباً بالنسبة للمركبات غير المأهولة.

AI and Machine Learning Integration

ويمكن أن تكتشف تلقائياً خوارزميات الرؤية الحاسوبية التي يتم تدريبها على مجموعات البيانات الضخمة الأمراض والحشيش ونواقص المغذيات في الصور المتعددة الأطياف، ويمكن أن تقوم نماذج التعلم العميق، مثل الشبكات العصبية الثورية، بتجهيز الخصائص في دقائق وخرائط معالجة النواتج دون تدخل بشري، مما يقلل من الحواجز التي تعترض استخدام التكنولوجيا بفعالية.

عمليات الأسلحة الخفيفة

ويمكن أن تغطي الأعاصير المنسقة لعدة طائرات بدون طيار آلاف الهكتارات في دورة واحدة للرحلات الجوية، حيث كل طائرة بدون طيار تُخصص منطقة فرعية، وتخفض الأسلحة الصغيرة وقت الطيران لكل منطقة من مناطق الوحدة وتوفر فائضا في حالة فشل فرادى الطائرات بدون طيار، وتجلب التطورات في الاتصالات وتجنب الاصطدام قدرات على الزراعة التجارية في غضون خمس سنوات.

العمليات الفعلية على متن الطائرة

ويتيح حساب الطراز على الطائرات بدون طيار حساب الأرقام القياسية للنباتات في الوقت الحقيقي أثناء الطيران، ويمكن للمركبة أن تعدل مسارها الجوي لإعادة النظر في المناطق المشبوهة، أو أن ترسل إنذارات فورية إلى الأفرقة الأرضية، مما يغلق الحلقة بين اقتناء البيانات والعمل إلى ساعات وليس أياما.

الثورة التنظيمية

وتعمل بلدان كثيرة على توسيع نطاق تراخيص استخدامات النفط المكشوف عن طريق الأطر القائمة على المخاطر، وستؤدي نظم موحدة للتعرف عن بعد والإذن بالرحلات الآلية (مثلا، إدارة حركة المرور في الولايات المتحدة) إلى جعل عمليات المركبات الجوية فوق البنفسجية الواسعة النطاق أكثر أمانا وأكثر روتينية، ومع نضج الأنظمة، ستتمكن مشاريع الزراعة المدنية من نشر الطائرات بدون طيار على نطاق غير مسبوق.

خاتمة

وقد ثبت أن التصوير المتعدد الأطياف للأشعة فوق البنفسجية أداة قيمة لرصد المحاصيل والتربة في مشاريع الزراعة المدنية، إذ أنه من خلال الجمع بين البيانات ذات الاستبانة العالية مع عمليات الطيران المرنة، يتيح الكشف المبكر عن الإجهاد، وإدارة المدخلات على نحو أكثر كفاءة، والتنبؤات بأقوى العائدات، وفي حين أن التحديات المتصلة بالتنظيم، وتجهيز البيانات، والخبرة الفنية لا تزال قائمة، فإن التقدم التكنولوجي المستمر، والتكاليف المتناقصة تجعل هذا النهج أكثر سهولة المنال بالنسبة لمديرين للمشاريع، والقدرة الزراعية، وصانعين، وصانعين، والاستثمار.