مقاله تهیه نقشه کود نیتروژن محصول ذرت علوفه ای مبتنی بر تصاویر ماهواره ای

بخشی از مقاله

چکیده
پژوهش حاضر به منظور تهیه نقشه کود نیتروژن با استفاده از تصویرماهواره ای ASTER انجام شده است. منطقه موردمطالعه، یک مزرعه ذرت 23 هکتاری در شهرستان پاکدشت انتخاب شد. عملیات نمونه برداری همزمان با عبور ماهواره ازمنطقه صورت گرفت. تعداد53 نمونه با استفاده از روش نمونه برداری تصادفی منظم انتخاب شد ند. درصد مقدار  نیتروژن نمونه ها، با استفاده از روش کجدال به دست آمد. خطای تصحیح هندسی تصویر، رابر با 0/2 پیکسل بود. به منظور تخمین مقدار نیتروژن، شاخص های NDVI، MSAVI2، MCARI2 و MTVI2 محاسبه شدند. نتایج نشان دادکه شاخص ها دارای همبستگی با مقدار نیتروژن بوده و شاخصMTVI2 با R2 =0/ 87 بالاترین همبستگی را نشان داد.

برای تهیه نقشه کود نیتروژن، از روش طبقه بندی نظارت شده نقشه بردار زاویه طیفی استفاده شد. دقت کلی 97/53 درصد و ضریب کاپا 0/9669 به دست آمد. براساس نتایج طبقه بندی سه سطح نیتروژن در مزرعه شناسایی شد. همچنین نتایج نشان داد 15/8، 25/2 و 59 درصد از سطح مزرعه به ترتیب مقادیر زیاد، متوسط و کم نیتروژن را دریافت کردند. با توجه به وجود تغییرات زیاد نیتروژن در مزارع، تهیه نقشه کود نیتروژن به منظور مدیریت دقیق توزیع کود نیتروژن ضروری است.
واژه های کلیدی: سنجش از دور، شاخص پوشش گیاهی، نیتروژن، ASTER

مقدمه
درحال حاضر روش مرسوم اعمال کود نیتروژن شامل پاشش یکنواخت کود در سطح مزرعه بوده که این امر معمولاً منجر به کم پاشی یا بیش پاشی کود می شود. کم پاشی کود نیتروژن موجب کاهش کیفیت و عملکردمحصول شده، در حالی که بیش پاشی آن منجر به آلودگی آب های زیرزمینی و محیط زیست، آسیب به محصول و خطر سلامتی انسان می شود . - Noh et al., 2004 - از طرف دیگر درصد بازیافت نیتروژن برای گیاهان زراعی حدود 33 درصد گزارش شده، 67 درصد باقیمانده به صورت تصعید، نیترات زدایی و آبشویی به هدر رفته و موجب آلودگی آب های زیر زمینی می شود . - Malakouti & Keshavarz., 2006 -

با توجه به پیامدهای منفی ناشی از مصرف نامناسب کودهای نیتروژن، استفاده از روش های جدید مدیریتی که بر مصرف بهینه و افزایش کارایی کود استوار است، ضروری به نظر می رسد. از جمله فناوری هایی که می تواند موجب تحقق چنین امری شود، سنجش از دور است. این فناوری با شناسایی تغییرات در مزارع و تعیین میزان نهاده مورد نیاز بر حسب تغییرات می تواند گام مهمی در جهت مدیریت بهینه نهاده ها در مزارع از جمله کود باشد. پژوهش های متعّددی در موردامکان کاربرد سنجش از دور به عنوان روشی سریع و غیرمخّرب برای تعیین نیتروژن گیاه انجام شده است. - Hansen et al., 2002; Wang et al., 2003; Li et al., 2008 -

مطالعات نشان داده که تصاویر ماهواره ای امکان توسعه پژوهش های مربوط به سطح برگ را در زمان ها و مکان های مختلف امکان پذیر ساخته - perry & Davenport., 2007 - که قادر به سنجش بازتاب پوشش گیاهی محصول در یک توده گیاهی انبوه و در سطحی وسیع می باشد . - Zhao et al., 2005 - بنابراین قابلیت دستیابی سریع تر به تغییر پذیری های ویژه سه بعدی محصول را داشته و می تواند موجب کاهش مصرف نیتروژن و افزایش عملکرد گردد . - Xue & Yang, 2008 - نتایج پژوهش های انجام شده روی محصول برنج نشان داده که این فن ا وری دارای پتانسیل لازم برای پایش نیتروژن است . - Bajwa., 2006 -

تاکنون پژوهش های متعددی به منظور یافتن ارتباط بازتاب طیفی برگ با ویژگی های گیاه و یافتن طول موج های حساس به نیتروژن محصول ذرت انجام شده است. - 2001 - Johnson به بررسی تفضیلی اثر بازتاب طیفی برگ با مقدار نیتروژن وکلروفیل پرداخته است . این پژوهش، دستیابی به مقدار نیتروژن و کلروفیل گیاه با استفاده از مشخصه های طیفی را امکان پذیر می داند Gitelson . - Johnson., 2001 - و همکاران - 2002 - دریافتند که شاخص پوشش گیاهی حاصل از بازتاب طیفی باندهای سبز و قرمز می تواند م قدار نیتروژن برگ و پروتئین دانه را پایش کند Boegh . - Gitelson et al., 2002 - و همکاران - 2002 - رابطه بازتاب طیفی و شاخص های پوشش گیاهی را با شاخص سطح برگ و م قدار نیتروژن پوشش گیاهی بررسی کردند.

نتایج نشان داد که بین متغیرهای مورد مطالعه رابطه با همبستگی بالا وجود دارد Karimi . - Boegh et al., 2002 - و همکاران - 2005 - قابلیت تصاویر فراطیفی را برای تعیین تنش نیتروژن ذرت مورد مطالعه قرار دادند . در این پژوهش از اسپکترو رادیومتر با دامنه طول موج 350-2500 نانومتر استفاده شده است. نتایج نشان داد که م قدار نیتروژن گیاه دارای رابطه معنی داری با بازتاب طیفی آن می باشد Reum . - Karimi et al., 2005 - و - 2007 - Zhangبا استفاده از مطالعات طیفی نشان دادند که باند طیفی حساس به نیتروژن در محدوده طیفی بین 550-700نا نومتر، ناحیه ای مناسب برای شناسایی سطح تنش در محصول ذرت است . - Reum & Zhang., 2007 -

Lemaire و همکاران - 2008 - روش های مختلف تعیین میزان نیتروژن را بررسی کرده و در نهایت روش سنجش از دور را به عنوان یک روش غیر مستقیم و مناسب برای تعیین مقدار نیتروژن معرفی کرده اند - Lemaire et al., Mistele .2008 - و - 2008 - Schmidhalter از یک سامانه اسپکترومتری بینایی تراکتور سوار برای تعیین نیتروژن گیاه ذرت در پیکسل هایی با ابعاد10 مترمربع استفاده نمودند. نتایج همبستگی بالایی بین متغیرها نشان داد . - Mistele et al., 2008 -

مواد و روش ها    
منطقه مورد مطالعه مزرعه ای به مساحت 23 هکتار با محصول ذرت علوفه ای رقم سینگل کراس    704 در
شهرستان پاکدشت انتخاب شد. مختصات دو گوشه شمال غرب مزرعه مورد مطالعه با مختصات UTM، 559627 شرقی و 3922022 شمالی و جنوب شرقی با مختصات 560193 شرقی و 3921718 شمالی می باشد. محصول در تاریخ 8 تیرماه کاشته شد و عملیات آبیاری در پنج مرحله به ترتیب در 15مرداد، 1، 12 و 22 شهریور و 3 مهر انجام شد. کود اوره به میزان 150 ، 125، 100، 75 و 50 کیلوگرم در هکتار به ترتیب در هر مرحله آبیاری اعمال شد.

از ابتدای اردیبهشت تا اوا خر شهریور برای بررسی وضعیت مزرعه، جمع آوری اطلاعات از کشاورزان و کارشناسان منطقه و تعیین نقاط نمونه برداری، به مزرعه مراجعه شد.تصویر سنجنده ASTER ماهواره TERRA - محصول - NASA جهت مطالعه انتخاب شد . این تصویر دارای باندهای سبز - 520-600 - - G نانومتر - ، قرمز - 630-690 - - R نانومتر - و مادون قرمز نزدیک - 760-860 - - NIR نانومتر - با قدرت تفکیک زمینی 15 متر و 5 باند در محدوده باندهای حرارتی 1095- 8475 - - TIR - نانومتر - با قدرت تفکیک زمینی 90 متر می باشد . - Abrams, 2003 - از میان گذرهای مختلف سنجنده از منطقه مورد مطالعه در طول فصل رشد محصول، تصویر تاریخ 4 سپتامبر 13 - 2009 شهریور - 1388 به عنوان مناسب ترین تصویر، انتخاب شداین. تصویر در یک روز کاملاً آفتابی، صاف و بدون ابر برداشت شد . شکل - - 1 تصویرASTER منطقه و مزرعه مورد مطالعه را نشان می دهد.

به منظور برداشت مختصات مزرعه از دستگاه GPS ماژلان مدل Explorist600 با دقت سه متر استفاده شد. با توجه به قدرت تفکیک زمینی 15 متر تصویر مورد استفاده در محدوه طیفی نور مرئی و مادون قرمز نزدیک، مزرعه به صورت شبکه های با طول و عرض 15 متر، شبکه بندی شد . تعداد 53 سلول از میان تمامی سلول های شبکه بندی شده به فواصل 60 متر با استفاده از روش نمونه برداری تصادفی منظم انتخاب شد . برای مشخص نمودن مکان نمونه ها از شاخص های شماره گذاری شده استفاده گردید. برای تهیه هر نمونه از قاب هایی استاندارد با مساحت یک متر مربع استفاده شد .

کلیه بوته های سبز و سالم بریده شده و در داخل گونی های شماره گذاری شده قرار داده شد. سپس نمونه های برگ در آون با دمای70 درجه به مدت 48 ساعت خشک شده و وزن خشک آنها با ترازوی دیجیتال با دقت 0/1 گرم اندازه گیری شد. پس از آسیاب نمودن نمونه ها از الک یک میلی متری عبور داده شد تا کاملاً یکنواخت گردند - Feng et al., 2008 - و درپاکت های پلاستیکی مشکی قرار داده شد. نمونه ها به منظور تعیین میزان نیتروژن با استفاده از روش کجدال - - Kjeldahl به آزمایشگاه تجزیه برگ گروه علوم دامی دانشگاه تهران منتقل شدند.کلیه پردازش های انجام گرفته بر روی تصاویر با استفاده از نرم افزارسنجش از دور ENVI4.5 انجام شد.جهت انجام تصحیح هندسی از نقشه های توپوگرافی1:25000 استفاده شد .

نقاط کنترلی به تعداد قابل قبول و با پراکنش مناسب بر روی تصویر و نقشه انتخاب شد. با بررسی میزان خطای نقاط، نقاطی که خطای بیش از یک پیکسل داشته حذف شدند. در انتها 21 نقطه با خطای کمتر از یک پیکسل به عنوان نقاط کنترل نهایی انتخاب و تصویر با استفاده از این نقاط کنترلی زمین- مرجع شد. پس از انتخاب نقاط کنترلی، میانگین RMSE برای نقا طانتخاب شده برابر با 0/2 پیکسل به دست آمد. برای افزایش قابلیت تفسیر تصویر در مطالعه پوشش گیاهی  و به حداقل رساندن داده های کم ارزش و استفاده بهینه از اطلاعات موجود،تصویر رنگی کاذب ایجاد شد. هم چنین ازپروفیل به منظور استخراج اطلاعات درجه روشنایی در طول یک برش مشخص از دو نقطه یک تصویر و رسم منحنی های تغییرات استفاده شد. برای تخمین مقدار نیتروژن شاخص های پوشش گیاهی NDVI1،MSAVI2،MCARI23 وMTVI24 که دارای ارتباط نزدیک با رنگ، کلروفیل و نیتروژن پوشش گیاهی