Bùng nổ AgTech với công nghệ viễn thám
Kể từ thế kỷ 19, nông dân đã sử dụng các thiết bị viễn thám cơ bản để quan sát mùa màng từ trên không. Các thiết bị này có dạng bóng bay. Mang theo máy ảnh và các dụng cụ khác trên các cánh đồng để xác định và theo dõi các điều kiện của cây trồng. Kể từ đó, công nghệ này đã được cải thiện đáng kể. Nông dân sử dụng các thiết bị viễn thám hiện đại có thể cung cấp cái nhìn tổng quan hơn về cây trồng trong thời gian thực. Hiện nay đang bùng nổ AgTech với công nghệ viễn thám
Viễn thám trong nông nghiệp là một kỹ thuật được sử dụng để thu thập thông tin về các điều kiện đất đai và cây trồng khác nhau từ xa. Các cảm biến này sử dụng các biến thể của bức xạ điện từ (EMR) để xác định các đặc điểm cảnh quan và điều kiện cây trồng. Các công nghệ viễn thám điển hình bao gồm: vệ tinh, máy bay và máy bay không người lái (máy bay không người lái).
Các loại thiết bị viễn thám
Các thiết bị viễn thám khác nhau ở các đặc điểm sau:
- Loại cảm biến
Cảm biến từ xa có thể hoạt động hoặc thụ động. Các cảm biến hoạt động phát ra bức xạ điện từ của riêng chúng ở một bước sóng cụ thể tới đất và cây trồng. Dựa trên phản xạ trở lại thiết bị, có thể đo được các điều kiện cụ thể. Các cảm biến thụ động thu được các phép đo bằng cách sử dụng năng lượng phản xạ hoặc bức xạ từ mặt trời.
-
Vị trí của Camera hoặc Cảm biến
Máy ảnh hoặc cảm biến trên thiết bị viễn thám có thể được đặt gần đất hoặc ở khoảng cách xa. Tùy thuộc vào vị trí, một số loại hình ảnh có thể được thực hiện:
- Hình ảnh cự ly gần, trong đó máy ảnh được đặt rất gần đất hoặc cây trồng
- Chụp ảnh trên không, trong đó máy ảnh được gắn trên máy bay đang bay trên một khu vực nhỏ
- Hình ảnh không gian, trong đó các cảm biến được gắn trên tàu con thoi hoặc vệ tinh nhân tạo để chụp ảnh kỹ thuật số
Phạm vi phổ điện từ
Cảm biến từ xa có thể đo độ phản xạ ở các phần khác nhau của phổ điện từ. Về vấn đề này, các loại cảm biến từ xa sau đây như sau:
- Viễn thám quang học; hoạt động trong phần hồng ngoại nhìn thấy được, cận hồng ngoại, hồng ngoại trung bình và hồng ngoại sóng ngắn của phổ điện từ (300nm đến 3000nm)
- Viễn thám nhiệt; dải bước sóng từ tia hồng ngoại dài nhất, xuyên qua quang phổ ánh sáng khả kiến, đến tia cực tím ngắn nhất
- Viễn thám vi ba; đo vi sóng phản xạ ở độ cao từ 1mm đến 1m
Cảm biến từ xa hoạt động như thế nào?
Các thiết bị viễn thám đo loại và cường độ ánh sáng phản xạ hoặc phát ra từ một vật thể, chẳng hạn như đất hoặc cây trồng. Ánh sáng bao gồm các phần năng lượng bức xạ điện từ (EM) khác nhau được phân loại theo bước sóng hoặc khoảng cách từ cực đại của một sóng đến cực đại của sóng tiếp theo. Các bước sóng khả kiến (VIS) hoặc ánh sáng mà mắt người nhìn thấy dưới dạng màu sắc, chỉ tồn tại trong một phạm vi hẹp, từ khoảng 400 đến 700 nanomet (nm). Các bước sóng dưới 400 nm được coi là ngắn (bao gồm gamma, tia X và tia cực tím) trong khi bất cứ thứ gì trên 700 nm được coi là dài hơn (bao gồm cả tia hồng ngoại, sóng vi ba và sóng vô tuyến).
Khi phát ánh sáng (từ cảm biến hoặc mặt trời) tới cây, các sóng màu đỏ và xanh dương được hấp thụ, trong khi các sóng màu xanh lá cây bị phản xạ. Đây là lý do tại sao thực vật trông xanh. Lượng ánh sáng phản xạ khác nhau tùy thuộc vào hàm lượng chất diệp lục trong lá và sức khỏe của cây.
Ví dụ, những chiếc lá xanh khỏe mạnh với lượng diệp lục cao sẽ phản chiếu ánh sáng xanh lục, trong khi những chiếc lá khô hoặc bị khô sẽ có độ phản xạ thấp hơn.
Do ảnh hưởng của chất diệp lục, các cảm biến có thể đo bất kỳ tình trạng cây trồng nào dựa trên việc giảm màu xanh lá cây. Đo sự khác biệt về ánh sáng phản xạ ở các bước sóng khác nhau của quang phổ EM, chúng được sử dụng để phân biệt thảm thực vật với đất và thảm thực vật xanh và già, cũng như các loài thực vật.
Ngoài ra, trong quang phổ khả kiến, hệ số phản xạ thấp có liên quan đến sự hấp thụ liên quan đến các sắc tố màu xanh lục của lá chẳng hạn như chất diệp lục. Mặt khác, trong quang phổ vô hình hoặc hồng ngoại gần (750-1100 nm), hệ số phản xạ có liên quan đến cấu trúc bên trong của lá (kích thước và hình dạng của các tế bào và khoảng trống). Điều này giúp nông dân xác định tốt hơn các chỉ số thực vật.
Bằng cách kết hợp độ phản xạ trong cả quang phổ nhìn thấy và cận hồng ngoại, nông dân có thể đo NDVI (Chỉ số thực vật khác biệt bình thường hóa), hoặc sức khỏe của thảm thực vật bằng cách đo sinh khối cây trồng.
NDVI được tính bằng độ phản xạ của bước sóng đỏ và NIR.
Phương pháp này được sử dụng vì thực tế là ánh sáng đỏ (trong quang phổ khả kiến) được diệp lục hấp thụ mạnh, trong khi ánh sáng NIR bị phản xạ mạnh. Do đó, NDVI biểu thị mối quan hệ giữa hai bước sóng này.
NDVI giúp xác định sức sống của cây trồng trên đồng ruộng cũng như các khu vực đất trống. NDVI đo được cho biết các giá trị từ -1,0 đến +1,0. NDVI của đất biểu thị các giá trị trong phạm vi 0,1-0,2 trong khi phạm vi cho tán cây trồng sẽ đo 0,2-1,0. Các giá trị âm được dành riêng cho mặt nước, chẳng hạn như hồ và sông.
Giải thích dữ liệu viễn thám
Các cảm biến được sử dụng cho viễn thám là các thiết bị có khả năng phát hiện và đăng ký bức xạ điện từ trong một phạm vi nhất định của phổ điện từ và tạo ra thông tin về đối tượng. Thông tin này có thể được diễn giải dưới dạng hình ảnh, đồ họa hoặc thông qua các bảng. Việc trích xuất dữ liệu thành hình ảnh, đồ họa hoặc bảng cũng như diễn giải dữ liệu là điều làm cho các cảm biến này trở nên hữu ích.
Trong khi cảm biến cây trồng, các cảm biến ghi lại độ phản xạ ánh sáng từ hàng triệu điểm trên mặt đất bằng cách sử dụng đi-ốt quang, chuyển đổi sóng ánh sáng thành điện tích. Sau khi nắm bắt được tình trạng cắt, dữ liệu viễn thám được dịch thành hình ảnh.
Chất lượng của hình ảnh phụ thuộc vào bốn yếu tố chính:
1) Độ phân giải không gian; đề cập đến kích thước pixel của cảm biến, tức là tính năng hoặc khu vực nhỏ nhất có thể mà cảm biến có thể ghi dưới dạng một đơn vị riêng lẻ. Kích thước pixel phụ thuộc vào khoảng cách giữa cảm biến và cây trồng hoặc đất. Khoảng cách càng lớn, độ phân giải hình ảnh càng thấp và kích thước pixel càng lớn (< 0,5 m). Tuy nhiên, hình ảnh có độ phân giải cao thích hợp hơn để ghi lại sự biến đổi của cây trồng trong trường.
2) Độ phân giải quang phổ; đề cập đến số lượng và độ rộng của các bước sóng được cảm biến ghi lại. Các cảm biến có nhiều bước sóng có thể cung cấp phép đo tốt hơn về điều kiện cây trồng.
3) Giải quyết tạm thời; đề cập đến bước thời gian giữa các hình ảnh. Cảm biến có thể đo tình trạng cắt xén bằng cách chỉ chụp một ảnh hoặc nhiều ảnh khác nhau trong một khoảng thời gian nhất định (một ngày hoặc một tuần).
4) Độ phân giải bức xạ; đề cập đến độ nhạy của cảm biến trong việc phân biệt sự khác biệt về cường độ năng lượng điện từ. Nó ảnh hưởng đến độ sáng của hình ảnh.
Giá trị đích thực của công nghệ viễn thám
Thực vật rất nhạy cảm, do đó, bất kỳ thay đổi môi trường nào cũng dẫn đến một số loại căng thẳng thực vật. Căng thẳng này là do thiếu nước, thiếu đạm hay sâu bệnh tấn công, nếu không được chú ý và quản lý kịp thời, nó có thể hạn chế đáng kể năng suất cây trồng. Các chỉ số chính về sự căng thẳng của cây trồng bao gồm: sinh khối cây trồng, chiều cao, diện tích lá, hàm lượng nước trong cây, chất diệp lục và nitơ.
Để ước tính các thông số nói trên, nông dân sử dụng các thiết bị viễn thám, cung cấp thông tin chính xác về tình trạng và năng suất cây trồng. Ngoài ra, viễn thám là một phương pháp không phá hủy để hỗ trợ giám sát sự tăng trưởng và phát triển của thực vật. Công nghệ nông nghiệp hiện đại này cho phép lập bản đồ các đặc điểm của cây trồng trên các khu vực không gian rộng lớn và theo dõi các thay đổi trong điều kiện đất và cây trồng.
Viễn thám là hiện tại và tương lai của quản lý trang trại.
Khả năng ghi lại và lập bản đồ các điều kiện cây trồng khác nhau trong thời gian thực là điều có thể mang lại lợi ích cho nông dân và tăng cường quản lý cây trồng. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức có thể phải đối mặt liên quan đến viễn thám. Mặc dù các thiết bị viễn thám được sử dụng để xác định, đo lường và giám sát hiệu quả các điều kiện cây trồng, nhưng vẫn tiếp tục có những thách thức trong việc cải thiện chúng.
