Δημιουργία αυτόνομης εναέριας πλατφόρμας τηλεπισκόπισης για την παραγωγή χαρτών δεικτών βιομάζας, ευφλεξιμότητας δασών και γεωργικών παραμέτρων

Abstract

The present thesis deals with the creation of an autonomous aerial remote sensing platform, with main tool an Unmanned Aerial System the board (UAS), which was designed and used in perspective of precision agriculture and its main objective was the creation of maps of vegetation indices and determination of dynamic production in various study areas, as well as the ability to provide a significant amount of real-time information at low cost compared to existing techniques. The unmanned aircraft carries sensors and cameras and flies over the study area and transmits in real time the data that is planned to collect. The collected data are: vegetation-land cover data, geographic location, meteorological data, geomorphological and cadastral data, aerial photographs and orthomosaics, as well as derived qualitative data related to the cover type, biomass production and other parameters introduced on the platform through computational routines. The creation of an Unmanned Aerial Remote Sensing platform, with the aim of creating various vegetation indices to determine growth, development, yield crop production, arisen analyzing the results of the functional ecology in Greek agro-ecosystems, within the spatial mapping, the actual utilization of dynamic tools of IT, such as Geographic Information Systems (GIS) and expert systems, the Global Positioning Systems and Satellite remote sensing of space science, as well as the tools agriculture engineering such as soil measurement sensors and autonomous tractors. The bibliographic review, which consists the second chapter of the thesis, analyzes the current situation in precision agriculture, the economic viability aspect of UAS usage and analytical techniques, the historically usage and contribution of model models in agriculture and ecology, while at the same time highlighting the sources on which research was based. The methodology used, which is extensively analyzed in the third chapter, is divided into four stages, focusing on the existing models used in integrated agricultural management, their use, and the way we approach their development, translation and integration to Geographic Information Systems (GIS). The first step analyzes the conversion of mathematical models into GIS computational routines. In the second stage, are distinguished all the necessary remote sensing data that the aerial platform has to collect. In the third stage, the parts that comprise the Aerial platform are presented in detail, as well as the development of the software required for its complete autonomy and connection to the GIS systems. At the final stage, we develop the experimental process, by which we verify the results that our system produces in full, with field measurements and then their evaluation. The fourth chapter presents the results obtained by solving the models mentioned in the previous chapters, from the corresponding translations into a GIS system, as well as comparative results of remote sensing data using basemaps of satellite imagery, Public Domain Orthomosaics (Hellenic Military Geographical Services, Hellenic Cadastral Agency, Hellenic Ministry of Agriculture) with the Orthomosaics collected from our platform. The detailed analysis of the results, in the fifth chapter, is done by comparing the different methods by modeling them into GIS, as well as the comparison of the quality of derived remote sensing products from different platforms. In conclusion, the described aerial platform, created to correlate the existing methods for determining dynamic production with spatial information, to link quality assurance protocols with integrated production management and to utilize new technologies in precision agriculture by providing an overview of the phenological development of the crop and monitor its future development. Ιt was found that the application of the spatial calculation method for the first time provides a simultaneous and rapid solution to all the collected data versus the point solution. The most important finding of the thesis is that we can introduce as many parameters as needed without dramatically simplifying a physical function for its analysis and modeling.

Η παρούσα διατριβή πραγματεύεται τη δημιουργία μιας αυτόνομης εναέριας πλατφόρμας τηλεπισκόπησης, με κύριο εργαλείο ένα Σύστημα μη Επανδρωμένου Αεροσκάφους (ΣμηΕΑ), η οποία σχεδιάστηκε και χρησιμοποιήθηκε με γνώμονα την γεωργία ακριβείας και κύριο στόχο τη δημιουργία χαρτών δεικτών βλάστησης και τον προσδιορισμό δυναμικών παραγωγής στην υπό μελέτη περιοχή, καθώς και τη δυνατότητα παροχής σημαντικού αριθμού πληροφοριών σε πραγματικό χρόνο και χαμηλό κόστος, σε σύγκριση με τις υπάρχουσες τεχνικές. Το μη επανδρωμένο αεροσκάφος που φέρει αισθητήρες και κάμερες και πετώντας πάνω από την υπό μελέτη περιοχή, μεταδίδει σε πραγματικό χρόνο, τα δεδομένα που έχει προγραμματιστεί να συλλέξει. Τα δεδομένα που συλλέγονται είναι: δεδομένα βλάστησης-κάλυψης γης, γεωγραφικής θέσης, μετεωρολογικά δεδομένα, γεωμορφολογικά και κτηματολογικά δεδομένα, αεροφωτογραφίες και ορθοφωτοχάρτες, καθώς και παράγωγα ποιοτικά δεδομένα τα οποία αφορούν στο είδος κάλυψης, την παραγωγή βιομάζας και άλλες παραμέτρους που έχουν εισαχθεί στην πλατφόρμα μέσω υπολογιστικών ρουτινών. Η δημιουργία μιας αυτόνομης εναέριας πλατφόρμας τηλεπισκόπησης, με στόχο την δημιουργία χαρτών δεικτών βλάστησης και τον προσδιορισμό δυναμικών παραγωγής αγροτικών εκμεταλλεύσεων, προέκυψε αναλύοντας τα αποτελέσματα της λειτουργικής οικολογίας στα Ελληνικά αγροοικοσυστήματα, στα πλαίσια χωρικής αποτύπωσης, με την πραγματική αξιοποίηση της χρήσης των δυναμικών εργαλείων της πληροφορικής, όπως: τα Γεωγραφικά Συστήματα Πληροφοριών (Γ.Σ.Π.) και τα έμπειρα συστήματα, τα παγκόσμια συστήματα εντοπισμού θέσης και τη δορυφορική τηλεπισκόπηση της διαστημικής επιστήμης, καθώς και των εργαλείων της γεωργικής μηχανικής, όπως οι αισθητήρες μέτρησης εδαφοκαλλιεργητικών παραμέτρων και οι αυτόνομες γεωργικές μηχανές. Η βιβλιογραφική επισκόπηση, που αποτελεί το δεύτερο κεφάλαιο της διατριβής αναλύει την υπάρχουσα κατάσταση στην γεωργία ακριβείας, την οικονομική βιωσιμότητα της εφαρμογής ΣμηΕΑ και τις τεχνικές ανάλυσης, ανατρέχοντας ιστορικά στη χρήση και συνεισφορά των προτύπων - μοντέλων στην γεωργία και την οικολογία, ενώ ταυτόχρονα αναδεικνύει τις πηγές πάνω στις οποίες στηρίχθηκε η έρευνα. Η μεθοδολογία που χρησιμοποιήθηκε, η οποία αναλύεται εκτενώς στο τρίτο κεφάλαιο χωρίζεται σε τέσσερα στάδια, και εστιάζεται στα υπάρχοντα μοντέλα που χρησιμοποιούνται στην ολοκληρωμένη γεωργική διαχείριση, τη χρήση τους, καθώς και τον τρόπο με τον οποίο θα προσεγγίσουμε την ανάπτυξη, μετάφραση και ενσωμάτωση τους στα Γεωγραφικά Συστήματα Πληροφοριών (Γ.Σ.Π.). Στο πρώτο στάδιο αναλύεται η μετατροπή των μαθηματικών μοντέλων σε υπολογιστικές ρουτίνες Γ.Σ.Π. Στο δεύτερο στάδιο, διακρίνονται τα απαραίτητα τηλεπισκοπικά δεδομένα που πρέπει να συλλέξει η εναέρια πλατφόρμα. Στο τρίτο στάδιο, παρατίθενται αναλυτικά τα μέρη που αποτελείται η εναέρια πλατφόρμα, καθώς και η ανάπτυξη λογισμικού που απαιτείται για την πλήρη αυτονόμηση της και σύνδεση της με τα συστήματα Γ.Σ.Π. Στο τελευταίο στάδιο, αναπτύσσεται η πειραματική διαδικασία με την οποία επαληθεύονται τα αποτελέσματα που παράγει ολοκληρωμένα το σύστημα μας, με μετρήσεις πεδίου και έπειτα την αξιολόγηση τους. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα που προέκυψαν από την επίλυση των μοντέλων που αναφέρθηκαν στα προηγούμενα κεφάλαια, από τις αντίστοιχες μεταφράσεις του σε σύστημα Γ.Σ.Π., καθώς και συγκριτικά αποτελέσματα τηλεπισκόπησης, χρησιμοποιώντας υπόβαθρα δορυφορικών εικόνων από δορυφορικούς δέκτες, Ορθομωσαϊκά Public Domain (ΓΥΣ, Κτηματολόγιο ΑΕ, Υπουργείο Γεωργίας) και ορθομωσαϊκών που συλλέχτηκαν από την πλατφόρμα μας. Η διεξοδική ανάλυση των αποτελεσμάτων, στο πέμπτο κεφάλαιο, γίνεται μέσω της σύγκρισης των διαφόρων μεθόδων με την μοντελοποίηση τους σε σύστημα Γ.Σ.Π., καθώς και της σύγκρισης της ποιότητας παράγωγων προϊόντων τηλεπισκόπησης από διάφορες πλατφόρμες. Συμπερασματικά, το σύστημα εναέριας πλατφόρμας που περιγράφουμε, δημιουργήθηκε προκειμένου να συσχετίσει τις υφιστάμενες μεθόδους προσδιορισμού δυναμικών παραγωγής με χωρική πληροφορία, να συνδέσει τη διασφάλιση ποιότητας με την ολοκληρωμένη διαχείριση της παραγωγής, καθώς και να αξιοποιήσει τις νέες τεχνολογίες στη γεωργία ακριβείας παρέχοντας συνολική εικόνα της φαινολογικής εξέλιξης της καλλιέργειας και παρακολούθηση της μελλοντικής εξέλιξής της. Διαπιστώθηκε ότι για πρώτη φορά η εφαρμογή της μεθόδου χωρικού υπολογισμού, παρέχει ταυτόχρονη και ταχύτατη επίλυση στο σύνολο των συλλεχθέντων δεδομένων έναντι τη σημειακής επίλυσης. Το σημαντικότερο εύρημα της διατριβής είναι, ότι μπορούμε να εισάγουμε όσες παραμέτρους απαιτούνται, χωρίς να προβούμε σε δραματική απλοποίηση μιας φυσικής λειτουργίας για την ανάλυση και μοντελοποίηση της.