INTENZÍV ALMAÜLTETVÉNY STRUKTURÁLIS
PARAMÉTEREINEK VIZSGÁLATA 3D LÉZERSZKENNERES ADATOK ALAPJÁN
INVESTIGATION OF STRUCTURAL PARAMETERS OF AN INTENSIVE APPLE ORCHARD BASED ON 3D LASER SCANNER
DATA
Riczu Péter1-Csihon Ádám2-Nagy Attila3-Nagy Gábor4-Ahmed M. Elshal5-Tamás János6-Gonda István7
1Tanszéki mérnök, DE AGTC MÉK, Víz- és Környezetgazdálkodási Intézet, 4032. Debrecen, Böszörményi út 138., 52/508-444/88275, riczu@agr.unideb.hu
2Ph. D. hallgató, DE AGTC MÉK, Kertészettudományi Intézet, Gyümölcstermesztési Tanszék, 4032. Debrecen, Böszörményi út 138., 52/508-444/88535,
csihonadam@agr.unideb.hu
3Egyetemi adjunktus, DE AGTC MÉK, Víz- és Környezetgazdálkodási Intézet, 4032.
Debrecen, Böszörményi út 138., 52/508-444/88182,attilanagy@agr.unideb.hu
4 Egyetemi adjunktus, Nyugat-magyarországi Egyetem, Geoinformatikai kar, Térinformatika Tanszék, 8000. Székesfehérvár, Pirosalma u. 1-3., 22/945-200/253, ng@geo.info.hu
5Egyetemi adjunktus, Zagazig University, Department of Agricultural Engineering, 44519.
Sharqia, Zagazig, Egyiptom. +20-55/228-23-60, amelshal@zu.edu.eg
6Egyetemi tanár, DE AGTC MÉK, Víz- és Környezetgazdálkodási Intézet, 4032. Debrecen, Böszörményi út 138., 52/508-444/88150, tamas@agr.unideb.hu
7Egyetemi tanár, DE AGTC MÉK, Kertészettudományi Intézet, Gyümölcstermesztési Tanszék, 4032. Debrecen, Böszörményi út 138., 52/508-444/88307,gonda@agr.unideb.hu
ÖSSZEFOGLALÁS
Az agro-ökológiai és termesztéstechnológiai feladatok megtervezéséhez a gyümölcstermesztő területeken fontos adatnak számít a gyümölcsfák területi pozíciója, az ágszerkezetének topológiája, a lombozatának térbeli struktúrája, a gyümölcsfák növekedési üteme. A precíziós gazdálkodásban használható újabb eszközök és az erre épülő technológiák ezeknek az információknak a megszerzésében nyújtanak segítséget. Kísérletünket a Pallagi Kertészeti Kísérleti Telep jéghálóval védett, csepegtető öntözőrendszerrel ellátott, intenzív termesztésű alma gyümölcsösében végeztük. A térbeli adatok előállításához a Leica ScanStation C10 3D-s lézerszkennert használtuk. A kísérleti ültetvény két szélső sorát mértük fel, illetve határoztuk meg a gyümölcsfák magasságát, törzsátmérőjét. Az eredményeket fitotechnológiai, vízgazdálkodási, növényvédelmi és betakarítási beavatkozások során használhatók fel.
SUMMARY
The localization of fruit trees, the topology of the branch structure, the spatial structure of the canopy and the growth rate of the fruit tree are important to plan site-specific agro- ecological and production technology projects in orchards. The currently used instruments and technologies – in the precision agriculture – give opportunities to obtain these information. The examinations were carried out in an intensive apple orchard with drip irrigation system, protected by hail net in the Study and Regional Research Farm of the University of Debrecen near Pallag. The collected spatial data were collected by Leica ScanStation C10 3D laser scanner. Two rows of the investigated orchard were surveyed,
where the height and stem diameter of apple trees were defined. The results could be directly used in phytotechnology, water management, plant protection and harvesting in orchards.
1. BEVEZETÉS
Napjainkban a gyors információs technológia fejlődése olyan módszereket ad a kezünkbe, mint a globális helymeghatározás (GPS), térinformatika (GIS), távérzékelés (RS), amelyekkel a földfelszín élő- és élettelen részeit gyorsan, pontosan, olcsón és nagy területeken tudjuk vizsgálni (Burai 2007). Ez a hármas technológia egyre inkább egységes rendszerbe, egymást kiegészítve, integrált módon jelenik meg és rohamosan fejlődik a precíziós mezőgazdasági és kertészeti alkalmazások területén egyaránt.
A minőségi kertészeti termékek előállítása megfelelő helyspecifikus gazdálkodási technológia hiányában nehezen elképzelhető, ezért egy intenzív gyümölcskertészetben a gyümölcsfák helyzetének és bizonyos paramétereinek megismerése, termesztési adatainak rögzítése elsődleges fontosságú lehet. Az egyes gyümölcsfák (vagy akár az erdőkben lévő faállomány) pozíciójának mérésére hagyományos módszerek mellett, high-tech eszközök segítségével új technológiák is elterjedtek. A gyümölcsfák pozíciójának meghatározására leginkább GPS- rendszerek váltak népszerűvé (Ehsani et al. 2008; Min et al. 2008). Fórián et al. (2010) földi geodéziai és légi fotogrammetriai úton készítették el a Debreceni Egyetem Pallagi Kertészeti Kísérleti Telep kísérleti ültetvényének teljes nagyfelbontású digitális adatbázisát, melyben minden egyes fához az attribútumként rendelték hozzá az egyedre vonatkozó adatokat (fajtanév, telepítés éve, metszés, permetezés ideje, kijuttatott tápanyag mennyisége, stb.). A Pallagi Kertészeti Kísérleti Telep valamennyi kísérlet kombinációját szintén fa szinten mérték fel. Az egyedi azonosító lehetővé teszi, hogy minden kezelés és kísérleti eredmény az adatbázisból térhelyesen lekérdezhetővé váljon.
A gyümölcsfák helyzetének és bizonyos tulajdonságainak meghatározására – a kertészet gyakorlatban eddig kevésbé elterjedt – távérzékelési eszközök és módszerek is rendelkezésre állnak. Az aktív távérzékelés – mint a távérzékelés egyik típusa – során a szenzor maga bocsájt ki elektromágneses sugárzást. A műszerből kisugárzott energiának a vizsgált objektum felszínéről visszaverődött részét mérjük aktív szenzorokkal (Belényesi et al. 2008). Aktív távérzékelési eszközök segítségével egy gyümölcsös gyorsan, pontosan és nagy területlen válik felmérhetővé (Sanz-Cortiella et al. 2011). A 3D lézerszkenner mm-es pontossággal határozza meg a gyümölcsfák pozícióját, illetve egyes jellemző paramétereit, úgymint lombozat struktúráját, nagyságát, törzsátmérőt, a fák egymástól való távolságát, stb. (Llorens et al. 2011; Rosell et al. 2009). Manapság a kutatások egyre gyakoribb középpontjába kerül a levélfelület meghatározása (Antonarakis et al., 2010, Moorthy et al., 2008), mint a produktivitás, a vegetációs aktivitás, az asszimiláció és a transzspiráció fontos jelzőszáma.
Jelen publikációban vizsgáljuk a gyümölcsfák struktúrájának és topológiájának meghatározhatóságát fejlett aktív távérzékelési szenzorok segítségével. Kutatásunkban összehasonlításra került a hagyományos felmérés és a lézeres téradatgyűjtés.
2. ANYAG ÉS MÓDSZER
A földi lézerszkenneres méréseket a Pallagi Kertészeti Kísérleti Telep, jéghálóval védett, csepegtető öntözőrendszerrel ellátott intenzív almaültetvényben (É: 47° 35' 33.09";
K: 21° 38' 23.76"). A Leica ScanStation C10 lézerszkenner távmérési elve a lézernyaláb repülési idején (Time-of-flight) alapszik. A Leica ScanStation C10 esetében egy halad egy zöld színű (532 nm-es hullámhosszúságú) lézerfénny halad véges és konstans sebességgel. A vizsgált objektumot elérő, majd visszajutó fény időkülönbségéből kalkulálja ki a műszer egyetlen mért pont távolságát. A műszer a másodpercenként akár 50 000 pontméréssel
biztosítja a vizsgált objektumok pozíciójának gyors meghatározását. Ehhez a lézernyalábot egy speciális Smart X-Mirror™ forgó poligon tükörrendszerrel kell eltéríteni, így készíti el nagy sebességgel az akár több millió pontból álló pontfelhőt a műszer.
A lézerszkenner látószöge horizontálisan 360°, vertikálisan 270°. A lézer kibocsátó mellett egy integrált digitális kamera is segíti a mérést a pontfelhő kiszínezésében. A beépített 4 megapixeles (1920x1920 pixel) kamera látószöge 17°, így a kupola-szerű, automatikusan térben kiigazított, színes panoráma felvétel 260 képből épül fel.
A felvételezések során 7, illetve 8 szkennállásból mértük fel az intenzív gyümölcsös két sorát.
A 7 álláspontos felmérés (2011. szeptember) esetében a vizsgált gyümölcsös bal oldalán (Gala Galaxy) 4 szkennelési pozícióból végeztük el a mérést, ahol a szkennállások kb. 14 m- re voltak egymástól. Ezzel szemben a sor jobb oldalán (Gala Must) a 3 szkennállás egymáshoz viszonyított távolsága kb. 24 m volt. A 2012. márciusi felmérés során az álláspontokat kb. 16 m-re helyeztük el egymástól. A szkennelési területek közötti átfedés biztosította a pontfelhők összeillesztését. Az átfedésekre a pontosság növelése céljából is szükség volt. A felbontás 10 m-en 8 mm volt.
A pontfelhő feldolgozása a Leica Cyclone 7.1, valamint Geomagic Studio 12, szoftverkörnyezetekben történt, ahol a pontfelhőt tisztítását, modellezési feladatokat végeztük.
3. EREDMÉNYEK
A Leica ScanStation C10 3D lézerszkennerrel két fenológiai (lombos és lomb nélküli) stádiumban végeztünk el a Pallagi Kertészeti Kísérleti Telep intenzív almaültetvény, két sorának felmérését (1. ábra). Az őszi felmérés eredményeként a lombozat strukturális jellemzői, míg a tavaszi felmérés esetén a gyümölcsfák ágszerkezetének parametrizálása végezhető el.
1. ábra: A két fenológiai állapotban készült 3D lézerszkenneres felmérés egy térbeli kivágata a gyümölcsfák meghatározható strukturális paramétereivel
A gyümölcsfák teljes magasságát a pontfelhő legalsó pontja, valamint a lombozat legmagasabb pontja közti vertikális távolsággal fejeztük ki. A lombmagasság a talajfelszín
Törzsátmérő (43,119 mm) Famagasság
(2,548 m)
Lombmagasság (2,074 m)
A törzs pozíciója a talajfelszínen
Lombozta kiterjedése
A gyümölcsfa hajtásrendszere
Törzsmagasság (0,436 m) 0,931 m
0,716 m
Ág: 4 db Gally: 21 db Vessző: 56 db Ág: 3 db
Gally: 16 db Vessző: 57 db
Törzsmagasság (0,548 m)
feletti első elágazás és a legfelső levél közti távolsággal, míg a törzsmagasság a földfelszín és a lombkorona első elágazása közti távolsággal jellemeztük.
A lézeres felmérés mellett hagyományos, földi mérést is végeztünk. A hagyományos terepei felmérés során megmértük a vizsgált sorokban a gyümölcsfák törzsátmérőjét, valamint a fák magasságát, majd ezeket a strukturális paramétereket összehasonlítottuk a lézeres pontfelhőből nyert adatokkal (2. ábra). A gyümölcsfák törzsátmérőjének meghatározása a gyökérnyaki rész és az alsó elágazás közötti törzshosszúság felénél történt.
2. ábra: A gyümölcsfák törzsátmérőjének összehasonlítása a hagyományos és a lézerszkenneres felmérés adatai alapján (A), valamint a famagasság és a törzsátmérő közötti összefüggés (B)
Összehasonlítottuk a törzsvastagság és a famagasság alakulását is. A fák törzskörmérete komplex vegetatív mutatónak tekinthető, azonban az azonos törzsátmérők nem feltétlen jelentenek ugyanolyan faméreteket. A vizsgált két fajta egyedi habitusa mellett számos anomália (fertőzés, mechanikai sérülés) okozhat eltéréseket a fák magasságában, szélességében, egyáltalán a termőfelület nagyságában, amelyek hatása nem azonnal érzékelhető a törzsvastagságának alakulásában. A közepesen pozitív korreláció vélhetően ennek tulajdonítható.
A 3D lézerszkenneres és a hagyományos felmérések közt szoros korrelációt tapasztaltunk. A jéghálós gyümölcsös 6. sorát két, az 5. sorát pedig egy oldalról vételeztük fel, vizsgálva a pontfelhő felbontásának hatását a mérésre. Az ötödik sorban 51 gyümölcsfa átmérőjét és magasságát határoztuk meg. A hatodik sorban a fahiányok miatt 41 almafa ugyanazon térbeli tulajdonságait határoztuk meg (1. táblázat). Az ötödik sorban, a hagyományos felmérés során az átlagos törzsátmérő 46,22 mm, míg a lézeres mérés esetében 55,48 mm volt. A hatodik, szélső sorban, a szegélyhatásnak köszönhetően mind a hagyományos, mind a lézeres mérés során (átlagosan kb. 4,7 mm-rel) kisebb törzsátmérőt mértünk. Továbbá megfigyelhető, hogy a több oldalról történő felmérésnek (6. sor) köszönhetőn, ha minimálisan is, de kisebb volt a hagyományos és a lézeres mérés közti különbség, és nagyobb a korrelációs kapcsolat.
1. táblázat: A hagyományos és lézerszkenneres felmérés során gyűjtött adatok
5. sor 6. sor
Hagyományos mérés Szkenneres mérés Hagyományos mérés Szkenneres mérés Kerület
(cm)
Átmérő (mm)
Átmérő (mm)
Magasság (m)
Kerület (cm)
Átmérő (mm)
Átmérő (mm)
Magasság (m)
Átlag 14.52 46.23 55.48 2.85 13.07 41.60 50.67 2.70
Szórás 2.12 6.74 7.55 0.27 2.46 7.82 8.24 0.51
MIN 10.10 32.15 40.07 2.20 9.70 30.88 36.23 1.64
MAX 19.00 60.48 69.31 3.36 18.20 57.93 70.99 3.38
4. KÖVETKEZTETÉSEK, JAVASLATOK
A precíziós gazdálkodás során alkalmazható eszközök biztosítják a termőhely alapos megismerését, a növények strukturális jellemzőit, amely elsődleges alapvető feltétele a mezőgazdasági és kertészeti beavatkozásoknak.
y = 1.0559x + 6.6677 R² = 0.8896
y = 1.0034x + 8.9328 R² = 0.907
30 35 40 45 50 55 60 65 70 75
30 35 40 45 50 55 60
Lézerszkennerrel mért törzsátmérő (mm)
Kézzel mért törzsátmérő (mm) 5. sor
6. sor
y = 0.0218x + 1.6378 R² = 0.3696
y = 0.0425x + 0.5466 R² = 0.4613
1.5 1.8 2.1 2.4 2.7 3 3.3 3.6
30 40 50 60 70 80
Famagasság (m)
Törzsátmérő (mm) Lézerszkennerrel mért paraméterek kapcsolatai
5. sor 6. sor
A
B
A lézerszkenneres mérés eredményei alapján igazolható, hogy a 3D-s felmérés gyorsan, megbízhatóan, nem destruktív módon megbecsülhetővé teszi a vizsgált növény struktúráját, miközben azok térbeli elhelyezkedésének meghatározását teszi lehetővé. A lézerszkenneres felvételezés validálásaként terepi méréseket is alkalmaztunk. A mérések között szoros korreláció volt megfigyelhető. A 3D lézerszkenner adatok segítségével pontosan követhető nyomom a gyümölcsfák fejlődési dinamikája, amely segítségével a koronaforma alakíthatóságát, termésbecslést, tápanyag-visszapótlást lehet ütemezni.
5. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS
Köszönetemet fejezem ki a NyME, Geoinformatikai Karának, hogy rendelkezésünkre bocsátotta a Leica ScanStation C10 3D lézerszkennert, mellyel hozzájárult a méréshez, illetve Váradi Attilának a Leica Geosystems Hungary Kft. dolgozójának, aki a Leica Cyclone szoftverhez biztosított elérhetőséget és munkánk során segítette a 3D pontfelhő feldolgozását.
A kutatás a TÁMOP 4.2.4.A/2-11-1-2012-0001 azonosító számú Nemzeti Kiválóság Program – Hazai hallgatói, illetve kutatói személyi támogatást biztosító rendszer kidolgozása és működtetése konvergencia program című kiemelt projekt keretében zajlott. A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg.
6. IRODALOMJEGYZÉK
1. Antonarakis, A. S., Richards, K. S., Brasington, J., Muller E. (2010): Determining leaf area index and leafy tree roughness using terrestrial laser scanning. Water Resources Research. 46. évf. 6. sz. 1-12. p.
2. Belényesi M., Kristóf D., Skutai J. (2008): Távérzékelés a környezetgazdálkodásban.
Elméleti jegyzet. Szent István Egyetem. Környezetgazdálkodási Intézet. Gödöllő. 78. p 3. Burai P. (2007): Távérzékelési módszerek összehasonlító elemzése mezőgazdasági
területeken. Doktori (PhD) értekezés. Debrecen. 143. p.
4. Ehsani, R., Buchanon, S., Salyani, M. (2008): GPS accuracy for tree scouting and other horticultural uses. EDIS Publication No. AE438. http://edis.ifas.ufl.edu/ae438.
5. Fórián T., Nagy A., Tamás J. (2010): Precíziós gyümölcstermesztés térinformatikai rendszerének kiépítése. VIII. Alkalmazott Informatika Konferencia. Acta Agraria Kaposváriensis. 14. évf. 3. sz. 313-321. p.
6. Llorens, J., Gil, E., Llop, J., Escolà, A. (2011): Ultrasonic and LIDAR sensors for electronic canopy characterization in vineyards: advances to improve pesticide application methods. Sensors. 11. évf. 2. sz. 2177-2194. p.
7. Min, M., Ehsani, M. R., Salyani, M. (2008): Dynamic accuracy of GPS receivers in citrus orchards. Journal of the Applied Engineering in Agriculture. 24. évf. 6. sz. 861-868. p.
8. Moorthy, I., Miller, J. R., Hu B., Chen J., Li Q. (2008): Retrieving crown leaf area index from an individual tree using ground-based lidar data. Canadian Journal of Remote Sensing. 34. évf. 3. sz. 320-332. p.
9. Rosell, J. R., Sanz, R., Llorens, J., Arnó, J., Escolà, A., Ribes-Dasi, M., Masip, J., Camp, F., Gràcia, F., Solanelles, F., Pallejá, T., Val, L., Planas, S., Gil, E., Palacín, J. (2009): A tractor-mounted scanning LIDAR for the non-destructive measurement of vegetative volume and surface area of tree-row plantations: a comparison with conventional destructive measurements. Biosystem Engineering. 102. évf. 2. sz. 128-134. p.
10. Sanz-Cortiella, R., Llorens-Calveras, J., Rosell-Polo, J. R., Gregorio-Lopez, E., Palacin- Roca, J. (2011): Characterisation of the LMS200 laser beam under the influence of blockage surfaces. Influence on 3d scanning of tree orchards. Sensors. 11. évf. 3. sz. 2751- 2772. p.
