DOKTORI ÉRTEKEZÉS TÉZISEI
MŰHOLDAS TERMÉSBECSLÉSI ELJÁRÁSOK FEJLESZTÉSE
Bognár Péter
Földtudományi doktori iskola
Doktori iskola vezetője: Dr. Márton Péter egyetemi tanár
Térképészet doktori program
Programvezető: Dr. Klinghammer István egyetemi tanár
Témavezető: Dr. Ferencz Csaba egyetemi magántanár
ELTE Geofizikai Tanszék
Budapest
2004
BEVEZETÉS, CÉLKITŰZÉS
A modern társadalmak általános és gazdasági irányítása megkívánja, hogy a kulcsfontosságú területek állapotát folyamatosan, objektíven és minél pontosabban figyelemmel kísérjék. Az egyik legfontosabb vizsgálandó terület az országokon belüli természeti és társadalmi erőforrások együttese. Ezek közül is kiemelkedő jelentőségű az élelmiszertermelés, melynek elengedhetetlen feltétele a fő haszonnövények termésmennyiségének ismerete. Különösen fontos, hogy az adatok minél hamarabb és megfelelő megbízhatósággal álljanak rendelkezésre. Szinte valamennyi jelentős mezőgazdasággal rendelkező ország létrehozott terméselőrejelzési rendszert, mely alapvetően a földi, táblaszintű megfigyelések összességén, valamint a termelők adatszolgáltatásán alapul. Ez a - továbbiakban hagyományosnak nevezett - rendszer azonban jelentős munkaerőt és költséget igényel és a pontossága korlátozott.
Magyarország fő haszonnövényeinek országos szintű felmérése az adatszolgáltatáson alapuló módszerekkel egyre kevésbé megbízható. A betakarítást követően a termés bejelentése, ezek országos szintű összegzése hosszú időt vesz igénybe. A magángazdaságok elterjedésével és a táblaméretek változásával ráadásul az adatszolgáltatás megbízhatósága csökkent, és javulás a közeljövőben sem várható. Ezért szükségessé vált egy ettől független, az ország egész területére kiterjedő, elsősorban műholdas adatokon nyugvó termésbecslési rendszer kidolgozása.
Jelenleg több különböző műholdrendszer szolgáltat rendszeresen adatokat a Föld felszínéről, és ezek segítségével rendszeresen, az ország egész területét lefedő távérzékelt adatokhoz juthatunk. Így nemcsak az egyes haszonnövények területi eloszlása, a tenyészidőszak alatti folyamatos megfigyelése, állapotfelmérése oldható meg, hanem lehetőség nyílik termésbecslési eljárások kidolgozására is.
A várható össztermés becsléséhez szükség van a vetésterület és a várható terméshozam ismeretére. Az egyes növényfajták szerinti vetésterület felmérése műholdas adatok alapján gyakorlatilag megoldottnak tekinthető, a várható terméshozam meghatározása azonban még mindenhol kísérleti szakaszban tart. Bár világszerte nagy energiával folynak kísérletek a globális terméselőrejelzés kidolgozására, ez idő szerint nincs tudomásunk olyan eljárásról, amely a műholdas távérzékelt adatokból operatív módon, minden területre, domborzatra és növényfajtára, akár táblaszinre lebontva, több évre alkalmazhatóan és kellően megbízhatóan, minimalizált járulékos (földi) adatszolgáltatás mellett - vagy azt akár mellőzve - is becsülné a hozamot.
Ahhoz, hogy a vegetációs időszakban kellő mennyiségű adat álljon rendelkezésünkre, sűrű időbeli mintavételezés szükséges, a jelenlegi tapasztalatok alapján az mondható, hogy a vegetációs időszakban több alkalommal, minimális esetben is legalább 6-8 naponta szükség van egy teljes területi fedésű műholdas megfigyelésre. Figyelembe véve, hogy a felvételek egy részét nem lehet használni a felhőzet miatt, ez a gyakorlatban minimum 3-4 napos visszatérési időt szab feltételként a műhold számára. E mellett a táblaszintű megfigyelésekhez kívánatos lenne, hogy a felvételek minél részletesebbek legyenek, azaz minél nagyobb (néhányszor 10, vagy néhány méteres) felszíni felbontással rendelkezzenek. E két feltétel egyszerre a gyakorlatban (egyelőre) nem teljesíthető, ezért a gyakorlati alkalmazásokban a nagyfelbontású műholdfelvételeket csak a kalibrációs fázisban érdemes használni, a szolgáltatás-szerű (operatív) termésbecslési eljárások még hosszabb ideig a kisfelbontású műholdfelvételeken fognak alapulni.
Magyarországon az ELTE Geofizikai Tanszék Űrkutató Csoportja a Magyar Űrkutatási Iroda támogatásával már sok éve folytat kutatásokat alapvetően kisfelbontású műholdfelvételeken alapuló, megfelelően pontos termésbecslési eljárás kidolgozására. Ennek keretében két eljárást fejlesztettünk ki, egy ún. "részletes", majd ennek eredményeit felhasználva, egy ún. "robusztus" módszert. Ezekben a modellekben direkt matematikai kapcsolatot kívántunk teremteni a távérzékelt adat és a terméshozam között. Ehhez azzal a feltételezéssel kell élni, hogy egy adott haszonnövénnyel borított terület felett a műhold által mért jellemzők valamilyen módon összefüggésbe hozhatók az adott területen a növény terméshozamával. Természetesen a hozamot rengeteg tényező együttese határozza meg, mint pl. a termény fajtája, a művelés technológiája, az időjárási és talajviszonyok, a naptevékenység hosszabb ciklusai stb., azonban fontos hangsúlyozni, hogy a kidolgozott módszereinknek nem volt célja ezen folyamatok feltárása, csupán a növényzet műholdak által észlelhető jellemzőinek megfigyelése, és ezek matematikai összekapcsolása a hozammal.
Dolgozatom fő célkitűzése az volt, hogy részletesen bemutassam a fent említett két termésbecslési eljárást, ismertessem az elért eredményeket, és ezek alapján igazoljam, hogy a módszerek - elsősorban a "robusztus" eljárás - alapjául szolgálhatnak egy későbbi operatív termésbecslési szolgáltatásnak.
ALKALMAZOTT MÓDSZEREK
A KUTATÁSI EREDMÉNYEK ÖSSZEFOGLALÁSA
Dolgozatomban részletesen ismertetek két, elsősorban kisfelbontású műholdfelvételeken alapuló termésbecslési eljárást, egy ún. részletes, és egy ún. robusztus módszert. A részletes termésbecslési eljáráshoz rendelkeznünk kell nagyfelbontású műholdfelvételekkel valamint földi referenciaadatokkal, míg a robusztus eljárás - a korábbi tapasztalatokat felhasználva - csak kisfelbontású (NOAA AVHRR) műholdfelvételeket igényel.
A termésbecslési eljárásokban rendkívül fontos az előfeldolgozás (radiometriai kalibráció, geometriai illesztés, felhőszűrés, stb.) megfelelő elvégzése. A Nap-érzékelő műszer-megfigyelt felszínelem geometriai elrendezés okozta hatások figyelembevételére kidolgoztam két egyszerű korrekciós eljárást, melyek segítségével a mért adatok szórását jelentős mértékben sikerült csökkenteni, és így a becslések pontosságát növelni.
A részletes módszert öt növényfajta (búza, kukorica, őszi árpa, cukorrépa, napraforgó) esetén sikerült alkalmazni az 1991-93-as időszakban 3 alföldi megye (Hajdú-Bihar, Békés, Jász-Nagykun-Szolnok) esetén. Ahhoz azonban, hogy az országos hozamátlagokat tudjuk becsülni, a robusztus módszer kidolgozására volt szükség, melynek lényeges eleme a domborzati és egyéb regionális hatásokat korrigáló felszíni korrekciós eljárás.
A robusztus módszert 10 növényfajtára (búza, kukorica, cukorrépa, őszi árpa, tavaszi árpa, silókukorica, rozs, burgonya, borsó, lucerna) sikerült alkalmazni az 1991-93-as illetve az 1996-2000-es időszakban. Ez utóbbi esetben az eltérések az 50 becsült éves országos hozamadat (10 növény, 5 év) és a referenciaként használt hivatalos KSH adatok között 39 alkalommal az 5 %-os határon belül maradtak, és egyetlen esetben sem haladták meg a 10 %-ot. Ez nemzetközi szinten is igen jó eredménynek számít, és igazolja a robusztus termésbecslési eljárás használhatóságát. Ezen túlmenően a robusztus eljárás alapján kidolgoztam egy előrejelzési eljárást, mellyel már jóval a betakarítás előtt megfelelően pontos előrejelzás adható a magyarországi haszonnövények várható hozamára.
Mindezek alapján - különösen mivel a saját műholdvevő állomás telepítésével megoldódtak a felvételek beszerzéséből származó korábbi problémák - megnyílt az út a több növényfajtára kiterjedő operatív termésbecslés előtt.
A DOKTORI ÉRTEKEZÉS TÉZISEI
1. A Nap-műszer-felszínelem geometriai elrendezésből eredő hatás korrekciója
Az AVHRR-műszer által mért radiancia értéket a légköri hatások mellett a felszín nem-lamberti viselkedése miatt nagymértékben befolyásolja a Nap-műszer-felszíni objektum geometriai elrendezése. E hatás figyelembevételéhez szükséges a felszíni kétirányú reflektancia-eloszlási függvény (bidirectional reflectance distribution function, BRDF) ismerete. A BRDF közelítő meghatározása lehetséges modellvizsgálatokkal vagy közvetlenül a műholdas mérésekből. Ez utóbbi utat választva kidolgoztam egy új, a gyakorlatban könnyen alkalmazható korrekciós eljárást, amely az elméleti modellekkel is jó egyezést mutat, és alkalmas a különféle ránézési irányok mellett kapott adatok összehasonlítására akár operatív távérzékelési feladatok megoldása esetén is. Az eljárás a 140. és 200. napok között számított greenness vegetációs index értékeket figyelembe véve a Nap-felszínelem és a vevőműszer-felszínelem irányok által bezárt szög alapján korrigálja a mért greenness vegetációs értékeket. A korrekciós eljárás elvégzése után a kapott greenness-értékek szórása a pontokra illesztett kettős-Gauss görbéhez képest jelentősen csökkent, ami nagymértében megnövelte a robusztus termésbecslési eljárásunk által becsült és előrejelzett hozamadatok pontosságát.
2. A Nap zenitszöge szerinti korrekció
Az eredetileg napszinkron pályára állított NOAA-műholdak az évek során egyre későbbi időpontban haladnak át Magyarország felett, így az egyes évek azonos napjain a felvételek eltérő Nap-zenitszög mellett készülnek. Ez igaz a NOAA-14 műholdra is, amelynek 1996-2000. közti adatait a termésbecslési vizsgálatokban felhasználtuk. Ez a hatás az eredeti, korrigálatlan GN-adatokon nem különíthető el egyértelműen, de kimutattam, hogy megjelenik az 1. pontban leírt korrekciós eljárás után kapott greenness-adatokon, és érdemben befolyásolja a termésbecslési eljárás pontosságát, különösen az őszi betakarítású növények (pl. kukorica) esetén. Ezért kidolgoztam egy második, a Nap zenitszögét figyelembe vevő korrekciós eljárást, és a két korrekció után kapott korrigált greenness-értékek már érdemben mentesek a BRDF hatásától. Ezáltal a hosszú élettartamú NOAA-műholdak adatai évfüggetlen módon használhatók a termésbecslési vizsgálatokban.
3. A "részletes" termésbecslési eljárás alkalmazása különböző növényekre
Igazoltam, hogy a csoportunk által az eredetileg a két legnagyobb hazai vetésterülettel rendelkező haszonnövény, a búza és a kukorica vizsgálatára kifejlesztett ún. részletes termésbecslési eljárás sikeresen alkalmazható a búzához hasonló fejlődési ciklusú őszi árpa, valamint a kukoricához hasonló vegetációs időszakú cukorrépa és napraforgó esetén. Ugyanakkor kimutattam, hogy ez az eljárás jelenlegi formájában nem alkalmas az e két típustól jelentősen eltérő művelési ciklusú (évenként többszöri kaszálás) lucerna vizsgálatára. Ez a felismerés egyben hozzájárult egy új módszer, az ún. robusztus termésbecslési eljárás kidolgozásához.
4. Növényszűrök definiálása a "robusztus" termésbecslési eljárásban
Igazoltam, hogy a részletes módszernél kidolgozott növényszűrők (a korrigált greennes- értékekre illesztett kettős-Gauss függvény kezdőparaméterei, az illesztéskor figyelembe vett időszak hossza, az illesztett függvény integrálásához a kezdő és utolsó nap) alkalmazhatók az ún. robusztus termésbecslési eljárásban. A növények eltérő vegetációs időszakait alapul véve kidolgoztam három növényszűrőt: az őszi vetésűekre az ún. búza-típusút, az őszi betakarításúakra az ún. kukorica-típusút, és a teljes vegetációs időszakot figyelembe vevő ún. lucerna-típusút. Kimutattam, hogy ezen növényszűrök valamelyikével az összes jelentős hazai termőterülettel rendelkező haszonnövény vizsgálatát el lehet végezni (a kivétel a napraforgó az 1996-2000-es időszakban).
5. A terepi korrekció végleges formájának kidolgozása és alkalmazása
A nemzetközi szakirodalomban közzétett termésbecslési eljárások általában kisebb területi egységre, és csaknem kizárólag sík terepre vonatkoznak. Jelenleg nem ismeretes olyan általános eljárás, amely a domborzat hatását sikeresen figyelembe tudná venni. A robusztus termésbecslési eljárásban azonban az Űrkutató Csoport korábbi hullámterjedési (felszín-szórási) eredményeiből kiindulva sikerült kialakítanom a terepi korrekció végleges változatát, amely minden termelési egységhez (megyéhez) hozzárendel egy terepi korrekciós indexet, amely magában foglalja a strátum és a domborzat hatását. E terepi korrekció segítségével sikerült a robusztus termésbecslési eljárást kiterjeszteni az ország teljes területére, és így megnyílt a lehetőség az országos szintű operatív termésbecslési szolgáltatás létrejöttéhez.
6. A "robusztus" termésbecslési eljárás alkalmazása 10 növényfajtára
A robusztus termésbecslési eljárást részletesen 5 év (1996-2000) adatai alapján vizsgáltam, és sikeresen alkalmaztam 10 növényfajta (búza, kukorica, cukorrépa, őszi árpa, tavaszi árpa, lucerna, silókukorica, rozs, burgonya, borsó) esetén. Az eltérések az 50 becsült éves országos hozamadat (10 növény, 5 év) és a referenciaként használt hivatalos KSH-adatok között 39 esetben az 5 %-os határon belül maradtak, és egyetlen esetben sem haladták meg a 10 %-ot. Ez nemzetközi szinten is igen jó eredménynek számít, és igazolja a robusztus termésbecslési eljárás használhatóságát.
7. Előrejelzési eljárás kidolgozása
A robusztus termésbecslési eljárás segítségével nagyjából a betakarítás idején lehet becslést adni a várható hozamra. A módszer továbbfejlesztésével kidolgoztam és sikeresen alkalmaztam az előrejelzési eljárást a vizsgált növényfajták esetén. Az eljárás során az előrejelzés napjáig mért (és korrigált) greenness-értékek alapján extrapolálással kiegészítettem az adatsort, úgy, hogy az eredeti robusztus termésbecslési eljárás alkalmazható legyen. Igazoltam, hogy búzánál, őszi árpánál és rozsnál már a 150., míg kukoricánál, cukorrépánál, tavaszi árpánál, silókukoricánál, lucernánál, burgonyánál és borsónál már a 210. napon megbízható előrejelzést lehet adni a várható hozamra, természetesen azzal a feltételezéssel élve, hogy az előrejelzés és betakarítás között semmilyen váratlan, előre nem látható esemény (pl. tűzkár, vízkár stb.) nem befolyásolja a hozamot.
KÖVETKEZTETÉSEK
A jelen munka egy nemzetközileg is fontos és aktuális, gazdaságilag is jelentős nagy téma része, melynek célja a növénytakaró állapotának, természeti és gazdasági jellemzőinek műholdas kvantitatív vizsgálata. A dolgozatban ismertetett eredmények alapján elmondható, hogy a bemutatott termésbecslési eljárások segítségével megfelelő pontossággal lehet becslést és előrejelzést adni a legnagyobb vetésterülettel rendelkező magyarországi haszonnövények termésátlagára.
A hozambecslési módszerek továbbfejlesztésével, valamint a légköri korrekciós eljárások pontosításával lehetővé válik, hogy nemzetközi viszonylatban is kiemelkedően pontos és általánosan alkalmazható széleskörű (domborzatos terep, sok haszonnövény, természetes növénytakaró stb.) operatív hozambecslési szolgálat létrehozásához a feltételek meglegyenek, amely szolgáltatás akár hazai, akár nemzetközi hasznosításban várhatóan jó eredményeket hoz majd.
A 2002-ben telepített HRPT vevőállomás megoldja az adatok beszerzésével kapcsolatos korábbbi nehézségeinket, és mivel az általunk vett képek igen nagy területet fednek le (Európa egészét, Afrika északi részét, Közel-Kelet egy részét), így lehetőség nyílik arra is, hogy a robusztus termésbecslési eljárásunkat alkalmazzuk más országok esetén is.
A DOLGOZAT TÉMAKÖRÉHEZ KAPCSOLÓDÓ PUBLIKÁCIÓK LISTÁJA
Referált tudományos folyóiratban megjelent cikkek:
Bognár P. (2003): "Correction of the effect of Sun-sensor-target geometry in NOAA AVHRR data", Int. J. Remote Sensing, vol. 24, no. 10, 2153-2166.
Ferencz Cs., Lichtenberger J., Bognár P., Molnár G., Steinbach P., Timár G. (2003): Mûholdvevő állomás az ELTE Környezetfizikai Tanszékcsoportján. Geodézia és Kartográfia, 2003/9, 30-33.
Ferencz Cs., Bognár P., Lichtenberger J., Hamar D., Tarcsai Gy., Timár G., Molnár G., Pásztor Sz., Steinbach P., Székely B., Ferencz O., Ferencz-Árkos I. (2004): "Crop yield estimation by satellite remote sensing", Int. J. Remote Sensing, vol. 25, no. 20, 4113-4149.
Konferencia kiadványok, konferencia összefoglalók, intézeti évkönyvek:
Bognár P., Ferencz Cs., Tarcsai Gy. (1995): "Correlated changes in sunspot numbers and in corn and wheat yields", Acta Geophys. et Meteor. (ELTE, Budapest), Tom. XI., 191-206.
Ferencz Cs., Bognár P., Ferencz-Árkos I., Hamar D., Lichtenberger J., Molnár G., Pásztor Sz., Steinbach P., Székely B., Tarcsai Gy., Timár G. (1996): "Crop yield forecasting in East Hungary using remotely sensed data and a new atmospheric correction method", Proc. URSI XXVth Gen. Ass., Lille 28 Aug. - 5 Sept. 1996, F4.-p.4.
Ferencz Cs., Hamar D., Bognár P., Tarcsai Gy., Pásztor Sz., Molnár G., Ferenczné Árkos I., Lichtenberger J., Steinbach P., Székely B., Timár G., E. Ferencz O., Erhardt Z. (1997): "Haszonnövények terméshozamának meghatározása műholdas adatok alapján", VII. Földfotó Szeminárium, MANT, MTESZ, p.18.
Ferencz Cs., Hamar D., Lichtenberger J., Bognár P., Ferencz-Árkos, Molnár G., Pásztor Sz., Steinbach P., Székely B., Tarcsai? Gy., Timár G. (1998): "Yield forecasting of main crops using remote sensing data", ISPRS Commission VII. Symp. on "Resource and Environmental Monitoring", 796-804, Budapest, Hungary, Sept. 1-4, 1998.
Lichtenberger J., Ferencz Cs., Hamar D., Bognár P., E. Ferencz O., Molnár G., Pásztor Sz., Steinbach P., Székley B., Tarcsai? Gy., Timár G. (1998): "Methods to elminate the atmospheric effects in remotely sensed data", ISPRS Commission VII. Symp. on "Resource and Environmental Monitoring", 787-796, Budapest, Hungary, Sept. 1-4, 1998.
Ferencz Cs., Bognár P., E. Ferencz O., Hamar D., Lichtenberger J., Molnár G., Pásztor Sz., Steinbach P., Timár G. (2003): HRPT/CHRPT és SAS műholdvevő állomás az ELTE Környezetfizikai Tanszékcsoportján (poszter). Űrnap, ELTE TTK, Budapest, 2003. október 16.
Nem publikált tudományos jelentések:
Timár G., Bognár P., Büttner Gy., Ferencz Cs., Pásztor Sz., Székely B., Tarcsai Gy. (1992): "A Bős (Gabcikovo)-környéki létesítmények környezeti hatásainak vizsgálata műholdas távérzékeléssel", kutatási jelentés, ELTE Geofizikai Tanszék.
Ferencz Cs., Tarcsai Gy., Bognár P., Erhardt Z., E. Ferencz O., Ferenczné Árkos I., Hamar D., Lichtenberger J., Molnár G., Pásztor Sz., Pipás Á., Steinbach P., Székely B., Timár G. (1996): "NOAA AVHRR és Landsat adatokon alapuló megyei és országos haszonnövény hozammodell kialakítása", tanulmány. GISkard Kft., Budapest.
Ismeretterjesztő cikkek:
Ferencz Cs., Lichtenberger J., Timár G., Molnár G., Pásztor Sz., Bognár P. (2003): "Parabola-ablak" Európára és környékére - új mûholdvevô állomás az ELTE Környezetfizikai Tanszékcsoportjánál. Technika, 46(9-10), pp. 10-11.
Hamar D., Bognár P., Ferencz Cs., Lichtenberger J., Molnár G., Pásztor Sz. (2003): A növényzet állapotának és várható termésátlagának meghatározása műholdas adatokból. Technika, 46(11-12), pp 33-35.
További fontosabb - nem a dolgozat témájához kapcsolódó - tudományos publikációk:
Sazhin S., Bognár P., Smith A.J., Tarcsai Gy. (1993): "Magnetospheric electron temperatures inferred from whistler dispersion measurements", Annales Geophysicae, Atmospheres, Hydrospheres and Space Sciences, 11, 619-623.
Tarcsai Gy., Bognár P., Ferencz Cs., Hamar D., Lichtenberger J. (1993): "VLF research in Hungary", Newsletter of the IAGA/URSI Joint Working Group on VLF/ELF Remote Sensing of the Ionosphere and Magnetosphere, 5, 4-5.
Ferencz Cs., Bognár P., Hamar D., Tarcsai Gy. (1993): "The whistler-mode propagation: rigorous solution of Maxwell's equations and the new whistler-model", Proc. URSI XXIVth Gen. Ass., Kyoto, 25 Aug. - 2 Sept. 1993., H6.p-05.
Ferencz Cs., Bognár P., Hamar D., Tarcsai Gy., Smith A.J. (1993): "Possible explanation of some observed features of measured whistlers by using the rigorous solution of Maxwell's equations", Proc. URSI XXIVth Gen. Ass., Kyoto, 25 Aug.- 2 Sept. 1993., H6.p-06.
Ferencz Cs., Ferencz O., Tarcsai Gy., Bognár P., Hamar D., Smith A.J. (1993): "A brief summary of the new whistler-model and its application in whistler-investigations", Proc. URSI XXIVth Gen. Ass., Kyoto, 25 Aug.- 2 Sept. 1993., H6.8.
Ferencz O., Bognár P. (1995): "New method and its numerical application for whistler-mode propagation", in Advanced Computational Electromagnetics, ed. by T. Homma (Studies in Applied Electromagnetics and Mechanics 9), pp. 321-334, Elsevier, Amsterdam.
Bognár P., Ferencz Cs., Hamar D. and Tarcsai Gy. (1995): "Whistler mode propagation: The first results of model-calculations for a homogenous plasma", Acta Geophys. et Meteor. (ELTE, Budapest), Tom. XI., 53-64.
Ferencz O., Bognár P. (1995): "New computational methods with numerical approximation for modelling whistler-mode propagation", Acta Geophys. et Meteor. (ELTE, Budapest), Tom. XI., 1995, 89-114.
Ferencz Cs., Bognár P., Tarcsai Gy., Hamar D., Smith A.J. (1996): "Whistler-mode propagation: results of model calculations for an inhomogeneous plasma", J. Atmos. Terr. Phys., 58, 625-640.
Lichtenberger J., Bognár P., Ferencz Cs., Hamar D., Lefeuvre F., Smith A.J., Székely B., Tarcsai Gy. (1996): "Recent results on high resolution whistler analysis", Proc. URSI XXVth Gen. Ass., Lille 28 Aug. - 5 Sept. 1996, H5.3.