Praca doktorska
Ładowanie...
Wykorzystanie danych satelitarnych do oceny redukcji plonów upraw ozimych w wyniku oddziaływania suszy rolniczej
| dc.abstract.pl | Wzrastająca populacja ludności oraz zmiany klimatyczne wymuszają zmiany na sektorze rolnym, którego zadaniem jest zapewnienie bezpieczeństwa żywnościowego. FAO przewiduje, że produkcja żywności musi zwiększyć się o 70 % przed 2050 r. Jednak rolnictwo narażone jest na wiele niekorzystnych zjawisk atmosferycznych, spośród których najbardziej powszechnym, a jednocześnie najbardziej złożonym jest susza. W pracy podjęto się zadania zbadania możliwości oceny wpływu suszy na plony na podstawie danych satelitarnych niskorozdzielczych i wysokorozdzielczych. Dotychczasowe prace prezentowały metody oceny wystąpienia suszy oraz badania jej natężenia na podstawie danych satelitarnych, jednakże nie obejmowały analizy i oceny skutków suszy w postaci redukcji plonów z wykorzystaniem tychże danych. Na podstawie dogłębnej analizy literatury z zakresu: teledetekcji satelitarnej i jej zastosowania w rolnictwie oraz agrometeorologii, postawiono trzy główne pytania badawcze: PB1: Czy możliwe jest monitorowanie suszy rolniczej na poziomie pola uprawnego z zastosowaniem wyłącznie danych satelitarnych?; PB2: Czy tę metodę można zastosować na innym obszarze? Oraz PB3: Czy możliwy jest pomiar skutków suszy rolniczej na podstawie danych satelitarnych? (iii). Na podstawie tak postawionych pytań badawczych, sformułowano następujące hipotezy badawcze: HB1: Monitorowanie suszy w skali pola uprawowego, wyłącznie na podstawie danych satelitarnych jest możliwe; HB2: Poprzez wykorzystanie danych satelitarnych możliwe jest opracowanie modelu, który różnicuje efekt oddziaływania suszy na polach o odmiennych warunkach glebowych oraz HB3: Wyniki modelu szacowania skutków suszy na podstawie danych satelitarnych można wyrazić jedynie poprzez procent redukcji plonu w stosunku do plonu optymalnego dla danego, dowolnego pola. Za obszar badawczy przyjęto: 88 pól pszenicy ozimej, zlokalizowanych w 6 województwach, o łącznej powierzchni 2779,27 ha, zaś obiektem pracy są pszenica ozima i susza (rolnicza). Przyjęto metodykę badań obejmującą dziesięć głównych etapów: Pozyskanie danych satelitarnych: Sentinel 2 oraz MODIS (I); Zebranie danych źródłowych uzupełniających (II); Znormalizowanie danych meteorologicznych względem 8-dniowych okresów (III); Obliczenie terminów faz fenologicznych pszenicy ozimej (IV); Obliczenie wskaźnika DISS dla wybranych pól (V); Wybór wskaźników wegetacyjnych użytecznych do monitorowania kondycji upraw rolniczych oraz obliczenie tych wskaźników na podstawie danych Sentinel 2 (VI); Analiza wystąpienia suszy i jej wpływu na plony na podstawie danych satelitarnych o niskiej (VII) oraz wysokiej rozdzielczości przestrzennej (VIII); Opracowanie modeli redukcji plonów na podstawie danych satelitarnych (IX) oraz Walidacja uzyskanych modeli (X). W pracy opracowano 3 modele oceny redukcji plonów pszenicy ozimej w skutek suszy na podstawie danych satelitarnych. Pierwszy model opracowano za pomocą regresji wielorakiej na podstawie niskorozdzielczych danych satelitarnych a także danych meteorologicznych. Uzyskano niezadowalającą dokładność modelu (R = 0,55) dlatego podjęto decyzję o przeprowadzeniu analizy z zastosowaniem Algorytmu Levenberga-Marquardta. Przy zastosowaniu tej metody uzyskano model umożliwiający ocenę redukcji plonów z dokładnością 82,8 %. W związku z tym, że powyższe modele oparte były na danych satelitarnych niskorozdzielczych, zdecydowano o opracowaniu modelu na podstawie danych o wyższej rozdzielczości – danych satelity Sentinel 2. Opracowano model regresji wielorakiej wykorzystujący sumę wartości wskaźników RECI oraz PVR oszacowanych dla okresów krytycznych dla wzrostu pszenicy ozimej. Uzyskano model o zadowalającej dokładności (r = 0,60). Prowadzone w ramach niniejszej rozprawy badania nad oceną wpływu suszy na plony pszenicy ozimej wykazały przydatność danych satelitarnych, zarówno niskorozdzielczych jak i wysokorozdzielczych do szacowania redukcji plonów pszenicy ozimej, wynikających z niekorzystnych warunków wzrostu upraw. |
| dc.abstract.pl | The growing population and climate change are forcing changes in the agricultural sector, whose task is to ensure food security. FAO predicts that food production must increase by 70% by 2050. However, agriculture is exposed to a number of unfavorable weather conditions, of which drought is the most common and at the same time the most complex. The work undertook the task of examining the possibility of assessing the impact of drought on crops on the basis of low-resolution and high-resolution satellite data. Previous studies have presented methods of assessing the occurrence of drought and testing its intensity based on satellite data, but did not include the analysis and assessment of the effects of drought in the form of reduction of yields with the use of these data. Based on an in-depth analysis of the literature in the field of satellite remote sensing and its application in agriculture and agrometeorology, three main research questions were posed: PB1: Is it possible to monitor agricultural drought at the field level using only satellite data?; PB2: Can this method be applied to another area? And PB3: Is it possible to measure the effects of agricultural drought on the basis of satellite data? (iii). On the basis of such research questions, the following research hypotheses were formulated: HB1: Monitoring of drought in the scale of a cultivated field, only on the basis of satellite data, is possible; HB2: By using satellite data, it is possible to develop a model that differentiates the effect of drought on fields with different soil conditions and HB3: The results of the drought effect estimation model based on satellite data can only be expressed by the percentage of yield reduction in relation to the optimal yield for a given, any flap. The research area was: 88 fields of winter wheat, located in 6 voivodships, with a total area of 2779.27 ha, and the object of work is winter wheat and drought (agricultural). The research methodology was adopted, covering ten main stages: Acquiring satellite data: Sentinel 2 and MODIS (I); Collection of supplementary source data (II); Normalization of meteorological data in relation to 8-day periods (III); Calculation of the terms of the phenological phases of winter wheat (IV); Calculation of the DISS index for selected fields (V); Selection of vegetation indicators useful for monitoring of the condition of agricultural crops and calculation of these indicators on the basis of Sentinel 2 data (VI); Analysis of drought occurrence and its impact on yields based on satellite data with low (VII) and high spatial resolution (VIII); Development of yield reduction models based on satellite data (IX) and Validation of the obtained models (X). The work presents three models for the assessment of the reduction of winter wheat yields as a result of drought on the basis of satellite data. The first model was developed using multiple regression based on low-resolution satellite data as well as meteorological data. The obtained model accuracy was unsatisfactory (R = 0.55), therefore it was decided to perform the analysis using the Levenberg-Marquardt algorithm. Using this method, a model was obtained that allowed for the evaluation of the reduction of yields with an accuracy of 82.8%. Due to the fact that the above models were based on low-resolution satellite data, it was decided to develop a model based on data with higher resolution - data from the Sentinel 2 satellite. A multiple regression model was developed using the sum of RECI and PVR values estimated for the periods critical for the growth of winter wheat. A model with a satisfactory accuracy was obtained (r = 0.60). The research carried out as part of this thesis on the assessment of the impact of drought on the yields of winter wheat has shown the usefulness of satellite data, both low-resolution and high-resolution, for estimating the reduction of winter wheat yields resulting from unfavorable crop growth conditions. |
| dc.affiliation.department | Wydział Geografii i Studiów Regionalnych |
| dc.contributor.author | Gatkowska, Martyna |
| dc.date.accessioned | 2023-06-12T10:03:03Z |
| dc.date.available | 2023-06-12T10:03:03Z |
| dc.date.defence | 2023-06-20 |
| dc.date.issued | 2023-06-12 |
| dc.description.additional | Link archiwalny https://depotuw.ceon.pl/handle/item/4610 |
| dc.description.promoter | Dąbrowska-Zielińska, Katarzyna |
| dc.identifier.uri | https://repozytorium.uw.edu.pl//handle/item/4610 |
| dc.language.iso | pl |
| dc.rights | ClosedAccess |
| dc.subject.pl | redukcja plonów |
| dc.subject.pl | plony |
| dc.subject.pl | wskaźniki wegetacyjne |
| dc.subject.pl | pszenica ozima |
| dc.subject.pl | fazy fenologiczne |
| dc.subject.pl | Sentinel 2 |
| dc.subject.pl | MODIS |
| dc.subject.pl | dane satelitarne |
| dc.subject.pl | susza |
| dc.subject.pl | yield reduction |
| dc.subject.pl | yields |
| dc.subject.pl | vegetation indices |
| dc.subject.pl | winter wheat |
| dc.subject.pl | phenological phases |
| dc.subject.pl | satellite data |
| dc.subject.pl | drought |
| dc.title | Wykorzystanie danych satelitarnych do oceny redukcji plonów upraw ozimych w wyniku oddziaływania suszy rolniczej |
| dc.title.alternative | Application of satellite remote sensing for assessment of winter wheat yield reduction due to drought |
| dc.type | DoctoralThesis |
| dspace.entity.type | Publication |