Flying Sensor Rapport Locatie: Swifterband
Auteurs Peter Droogers, Walter Immerzeel, Philip Kraaijenbrink, Ronald Loeve Klant Aquademia
Datum: november 2014
HiView FutureWater Costerweg 1V 6702 AA Wageningen The Netherlands +31 (0)317 460050
[email protected] [email protected] www.futurewater.nl www.hiview.nl
2
Inhoudsopgave 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
Inleiding Achtergrond Samenwerking Aquademia en FutureWater Projectdoel Locatie Gewassen
Ruwe beelden details
4 4 4 4 4 6 8
2 2.1 2.2
Werkwijze Stappenplan Sensoren en vegetatie indices
11 11 11
3
Resultaten
15
4
Conclusie en aanbevelingen
19
3
1 Inleiding 1.1
Achtergrond
UAV’s (drones) kunnen ingezet worden in de landbouw om te kijken wanneer water en nutriënten aan de gewassen moeten worden gegeven, om deze gewassen optimaal te kunnen laten groeien, maar om ook te kunnen inschatten wat de opbrengst zal worden aan het eind van het groeiseizoen.
1.2
Samenwerking Aquademia en FutureWater
FutureWater, een onderzoek en adviesbureau dat wetenschappelijk onderzoek verbindt met praktische oplossingen, heeft veel kennis van de relaties water, nutriënten en gewasopbrengst. Recentelijk is FutureWater, in samenwerking met o.a. Wageningen Universiteit, ook betrokken bij onderzoek naar de toepassing van nieuwe sensordata over verdamping, bodemvocht en droogte. Aquademia wil een operationeel AgriDrone systeem ontwikkelen waarmee gewasproductie kan worden verhoogd door optimalisatie van bemesting (nutriënten) en bewatering. Ook wil het al vroeg in het groeiseizoen een inschatting kunnen maken van de te behalen gewasopbrengst (kg/ha). FutureWater ondersteunt Aquademia in dit proces door i) kennis en ii) technologie. Deze pilot is een eerste stap om het operationele AgriDrone systeem te realiseren.
1.3
Projectdoel
In het groeiseizoen 2014 (april-oktober) is er bij een agrariër getest of de inzet van de AgriDrone bruikbare resultaten oplevert voor de (toekomstige) advisering over bewatering, bemesting (N) en gewasopbrengst verwachting.
1.4
Locatie
Swifterband, Oostelijk Flevoland. - Coördinaten: 52° 32' 27.217"N, 5° 35' 32.867"E - Perceelgrootte: circa 50 ha - Gewassen: aardappelen, suikerbieten, uien en wintertarwe.
4
Figuur 1. Projectlocatie Oostelijk Flevoland.
Figuur 2. Projectlocatie Swifterband, Oostelijk Flevoland.
5
Figuur 3. Projectlocatie Swifterband, percelen en gewassen 2014.
1.5
Gewassen
Op de pilotpercelen in Swifterband zijn in 2014 de volgende gewassen verbouwd (zie ook Figuur 3 voor de perceelslocatie): -
Aardappelen o Ras Innovator; o Oppervlakte circa 10,2 ha; o Pootdatum: 11, 12 en 14 april 2014. o Frites aardappelen voor APF Holland BV
-
Suikerbieten: o Het ras Kodiak van SES van der Have; o Oppervlakte 9,6 ha; o Proefveld van SES Van der Have: circa 2 ha groot;. o Zaaidatum: 2 april 2014. Proefveld 1 april 2014.
6
-
-
Uien o o o o
Ras Hypark van Bejo; Oppervlakte 8,8 ha. Zaaidatum: 18 en 19 maart 2014; Uien zijn gerooid op 5 september 2014.
Wintertarwe o Ras Henrik; o Oppervlakte 19 ha: o Zaaidatum: perceel 1 (zuid): 22 oktober 2013; o Zaaidatum perceel 2 (noord): 23 november 2013; o Oogst: 1 en 2 augustus 2014.
Zie ook Appendix 1: voor gewasfoto’s vanaf de grond.
7
Ruwe beelden details
Figuur 4. Detail beeld (NIR-R-G), deel van erf met schuur en landbouwvoertuigen, 5 mei 2014.
Figuur 5. Detail beeld, FutureWater team, 3 juni 2014.
8
Figuur 6. Detail beeld, openbare weg, watergang met duiker, 2 juli 2014.
Figuur 7. Detail beeld, wintertarwe met proefvelden bemesting, 3 juni 2014
9
Figuur 8. Detail beeld, uien (boven) en geoogste wintertarwe (onder), 28 augustus 2014.
10
2 Werkwijze 2.1
Stappenplan
-
Voorbereiding meetcampagne: o Het vliegen met UAV’s (drones) vereist een gedegen voorbereiding en is niet zomaar toegestaan. De volgende werkzaamheden zijn o.a. uitgevoerd: aanvraag vliegtoestemming, testen meetapparatuur (UAV, sensors, GPS);
-
Metingen op pilotlocatie Swifterband: o Inmeten locaties (GPS of met geometrisch correcte digitale luchtfoto’s en AHN2); o Plaatsen panelen ->ter vergroting van onderscheidend vermogen; o Uitgevoerde vluchtdagen: 5 mei 2014; 3 juni 2014; 2 juli 2014; 25 juli 2014; 25 augustus 2014; o Per vluchtdag zijn twee vluchten uitgevoerd: één vlucht met de zichtbaar licht sensor (Rood, Groen, Blauw: R-G-B) één vlucht met de nabij-infrarood sensor (Nabij-infrarood, Rood, Groen: NIR-R-G);
-
Nabewerking: o Geometrische correctie van de ruwe beelden; o Mosaïkering van de ruwe beelden. Resultaat een orthofoto van het gehele pilotgebied; o Inventarisatie en selectie van vegetatie indices; o Bereken van vegetatie index: NDVI; o Berekenen van anomaliekaarten;
-
Analyse: o Visuele interpretatie van beelden; o Analyse gewasindex NDVI, trend, verklaring; o Analyse anomalieën; o Vertaling van gegevens en beeldinformatie naar begrijpbare informatie voor agrariër.
2.2
Sensoren en vegetatie indices
“Gewasreflectiesensoren meten delen van het zichtbare spectrum (in ieder geval altijd rood) en delen van het nabij infrarood spectrum. Wanneer licht op een blad valt en terugkaatst, treedt reflectie op. Kenmerkend voor groen plantmateriaal is de verhoogde reflectie in het groene spectrum (0,54 µm). Daarom zien mensen planten als groen. Gezond plantmateriaal laat een zwaar ‘reflectiedal’ zien in het rode spectrum (0,7 µm). In het nabij-infrarode spectrum (0,8 µm) neemt de reflectie enorm toe tot 80% van het ingevallen licht. Dit wordt veroorzaakt door transitie (overgang) van lucht tussen de celkernen. Dit is kenmerkend voor gezond plantmateriaal (Figuur 9). Aangetast plantmateriaal laat een vlakker verloop van de bovenstaande lijn zien. Daarnaast is de reflectie in de rode spectrum vele malen hoger dan bij
11
gezond plantmateriaal. Met dit specifieke verloop van reflectieverhoudingen is dus aangetast 1 plantmateriaal te onderscheiden van gezond plantmateriaal.” (Schans et al, 2011 ).
Figuur 9. Reflectie van golflengtes bij een gezond en aangetast gewas (Schans et al, 2011). Om de gewasreflectie op een standaard manier te kunnen vergelijken worden met de gemeten informatie vegetatie indices berekend (
1
Schans, D., Blok, P., Blok, D., Os, G., (2011) WURKS lesmodules precisielandbouw voor MBO en HBO. Praktijkonderzoek Plant & Omgeving B.V. PPO nr. 447
12
Tabel 1). Met bepaalde formules wordt hier de reflectie in specifieke banden met elkaar gecombineerd. Een aantal vegetatie indices zijn opgesteld om een beeld te krijgen van de hoeveelheid biomassa van een gewas (NDVI, WDVI), andere indices zeggen meer iets over het chlorofyl of stikstof in het blad. Dus voor het monitoren van verschillende gewasparameters zijn ook verschillende vegetatie indices nodig. Niet alle vegetatie indices zijn te berekenen met de in dit project gebruikte sensoren. Voor dit pilotproject is gekozen om de Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) te gebruiken. De NDVI is een belangrijke ratio gewasindex en zegt iets over de fotosyntheseactiviteit van de plant. Daarnaast is de NDVI een indicator voor de hoeveelheid bladmassa en daarmee weer voor de biomassa. De toestand van het gewas op het perceel is weergegeven als NDVI. Vegetatie geeft een sterke reflectie in het gebied van 0,7-0,9 µm (nabij-infrarood) terwijl het zwak weerkaatst in het gebied van 0,6-0,7 µm (rood) vanwege de absorptie door chlorofyl. Het genormaliseerde verschil in nabij-infrarood en rood is de NDVI. De NDVI waarden kunnen in theorie tussen de -1 en de +1 liggen. In de praktijk zijn waarden voor kale grond rond de 0,2 en voor zeer goed groeiende vegetatie rond de 0,8. NDVI waarden geven een indicatie van de gewasstress. Deze kan worden veroorzaakt door de vochthuishouding: water tekort, of bijvoorbeeld een tekort aan nutriënten (N).
13
Tabel 1. Overzicht van spectrale vegetatie indices relevant voor schatting van biomassa 1 en stikstof in vegetatie (Kooistra, 2011 ).
Naast het NDVI beeld hebben we voor de analyse ook de NDVI afwijking (anomalie) van het gemiddelde per perceel bepaald: 𝐴𝑛𝑜𝑚𝑎𝑙𝑖𝑒 =
1
𝑁𝐷𝑉𝐼𝑝𝑒𝑟𝑐𝑒𝑒𝑙 𝑔𝑒𝑚𝑖𝑑𝑑𝑒𝑙𝑑 𝑁𝐷𝑉𝐼𝑝𝑖𝑥𝑒𝑙
Kooistra, L. (2011) Verificatie remote versus near sensing voor toepassingen in precisie landbouw. Eindrapport PPL project 023
14
3 Resultaten
Figuur 10. Beelden (R-G-B en NIR-R-G) en analyse (NDVI en anomalie), 3 juni 2014.
15
Figuur 11. Beelden (R-G-B en NIR-R-G) en analyse (NDVI en anomalie), 2 juli 2014.
16
Figuur 12. Beelden (R-G-B en NIR-R-G) en analyse (NDVI en anomalie), 25 juli 2014.
17
Figuur 13. Beelden (R-G-B en NIR-R-G) en analyse (NDVI en anomalie), 25 augustus 2014.
Tabel 2. Gemiddelde NDVI per gewasperceel. Datum
suikerbiet
aardappel
03-06-14
0,20
0,11
0,00
0,38
02-07-14
0,31
0,34
0,22
0,26
25-07-14
0,30
0,29
0,24
0,02
25-08-14
0,31
0,02
0,16
0,11
18
ui wintertarwe
4 Conclusie en aanbevelingen Doel van deze pilot was om een eerste stap te zetten in de realisatie van een operationeel AgriDrone systeem. Hiervoor is in het groeiseizoen 2014 getest of de AgriDrone bruikbare resultaten oplevert voor de (toekomstige) advisering over bewatering, bemesting (N) en gewasopbrengstverwachting. De eerste stap voor operationalisering van de AgriDrone is gezet en Aquademia en FutureWater hebben veel geleerd van deze pilot. Echter veel zaken vragen ook nog om extra inspanning en onderzoek voordat deze kunnen worden geoperationaliseerd. De beelden die dit groeiseizoen zijn gemaakt en de uitgevoerde analyses worden goed herkend door de agrariër. De extra informatie van de agrariër over de mogelijke oorzaken van bijvoorbeeld een anomalie blijft zeer waardevol. Een aantal oorzaken kunnen zonder kennis van het land en de historie moeilijk vanuit de lucht worden vastgesteld. Hierbij moet gedacht worden aan: “deel van perceel is vorig jaar gediepploegd”, “ hier is een keer per ongeluk dubbel gespoten”. De verschillen worden zeer duidelijk waargenomen met de AgriDrone en zijn met het blote oog vanaf de grond niet of niet goed waar te nemen. Het groeiseizoen 2014 begon erg vroeg dit jaar door de (extreem) warme winter en lente. Hierdoor stond de wintertarwe al begin april egaal en groen op het land. De start van onze meetcampagne in begin mei was hierdoor aan de late kant. De gewasontwikkeling in de maanden juni en juli vragen in een vervolg mogelijk om een extra meting, zeker omdat dit de periode is waarin met behulp van bijmesting nog wat kan worden bijgestuurd. Verder hadden we te maken, ondanks een vroeg en warm groeiseizoen met een aantal geplande dagen waar het niet mogelijk was om te vliegen: de weersomstandigheden (regen, windstoten) vroegen om aanpassing van de geplande vliegdatum. Vochttekort Vochttekorten zijn zeer goed waarneembaar vanuit de lucht met behulp van sensoren bevestigd aan een UAV. De gebruikte vegetatie index Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) kan hier een goede indicatie geven. In deze pilot bleek dat er weinig of geen gewasstress door vochttekort heeft plaatsgevonden dit groeiseizoen. De zeer goede vochthuishouding van de Flevolandse klei is niet de ideale plek om gewasstress door vochttekort waar te nemen. Advies Gewasstress door vochttekort zal vaker voorkomen op heterogene percelen op de armere zandgronden. Gewasstress door vochttekort zal hier goed waarneembaar zijn. Een vervolgonderzoek op het gebied gewasstress door vochttekort kan dan ook beter op zandgrond plaatsvinden. Bemesting (N) De pilot Swifterband is een goede eerste stap om een operationeel AgriDrone systeem voor bemesting te realiseren. De verschillende bemestingsregimes op de proefpercelen van Alterra die in ons pilotgebied liggen zijn zeer goed waarneembaar.
19
De overige percelen waren aardig homogeen groen tijdens de gewasgroei in mei – juni. De opnamen van begin mei waren hierdoor moeilijk tot een goede orthofoto van het hele pilotgebied te mozaïeken. De agrariër deed het dus al erg goed op het gebied van bemesting. Toch zijn op de analysebeelden wel verschillen te zien, die met het blote oog op het maaiveld niet zijn op te merken. Zo is het verschil in gewasindex (NDVI-anomalie) voor wintertarwe vanaf begin juli duidelijk te zien: het zuidelijke perceel heeft een lagere NDVI-waarde. Ook bij de aardappelen, suikerbieten en uien zijn er nog een paar locaties die opvallen. In samenspraak met de agrariër zijn veelal verklaringen gevonden voor de gemeten verschillen. Advies en vervolg Als de gewassen zeer homogeen, egaal en met weinig ruimtelijke differentiatie groeien kan het voorkomen dat het creëren van een orthofoto van het pilotgebied moeilijker is dan verwacht. Een oplossing hiervoor is het plaatsen van panelen ter vergroting van onderscheidend vermogen. Wij werken op dit moment nog aan de stap om van goed waarneembare gewasindexwaarden te komen tot een bemestingsgift. Met behulp van de kennis die is opgedaan met near-sensing methoden en de laatste wetenschappelijke resultaten verwachten we hier goede resultaten. Gewasopbrengstverwachting Naast deze pilot heeft Aquademia tegelijkertijd met veel agrariërs gesproken om hun ideeën te toetsen. Uit deze interviews bleek dat er weinig behoefte was aan het berekenen van een gewasopbrengstverwachting. Met behulp van de analyses is een opbrengst te bepalen met een bepaalde onzekerheidsmarge. Echter het is niet mogelijk om de markt te voorspellen en de opbrengst in euro’s in te schatten. Een lagere (landelijke) oogst, kan in theorie leiden tot een hogere opbrengst in euro’s voor een individuele agrariër. Naar aanleiding van de bovenstaande marktverkenning is in samenspraak afgesproken om geen gewasopbrengstverwachtinganalyses uit te voeren voor de verschillende gewassen.
20
Appendix 1: Gewasfoto’s vanaf de grond Aardappelen 3 juni 2014: aardappelen
1 juli 2014: aardappelen
21
23 juli 2014: aardappelen
23 juli 2014: Monster aardappel 4 planten: 14 stengels, 30 knollen, gewicht 340 gram
27 augustus 2014: aardappelen
22
Suikerbieten 3 juni 2014: suikerbieten
3 juni 2014: suikerbieten
1 juli 2014: suikerbieten
23
23 juli 2014: suikerbieten
1
23 juli 2014: suikerbieten
1
Noot agrariër: Door de felle zon, suikerbieten aan de lichte kant. In werkelijkheid groener.
24
20 augustus 2014: suikerbieten
20 augustus 2014: suikerbieten
25
Uien 3 juni 2014: uien
3 juni 2014: uien
26
1 juli 2014: uien Lengte loof tot 60 cm.
1 juli 2014: uien
27
23 juli 2014: uien Het uienloof ligt alle kanten op. 24 juli 2014: uien behandelt met kiemremmer.
23 juli 2014: uien
28
27 augustus 2014: uien
27 augustus 2014: uien
29
Wintertarwe 3 juni 2014: wintertarwe in bloei
3 juni 2014: wintertarwe in bloei
24 juni 2014: wintertarwe lengte rond de 100 cm
30
24 juni 2014: wintertarwe lengte rond de 100 cm
1 juli 2014
1 juli 2014
31
23 juli 2014: Het wuivende graan tijdens een prachtige zomerdag
23 juli 2014: Het wuivende graan tijdens een prachtige zomerdag
1 en 2 augustus 2014: wintertarwe oogst.
32
