Transcript מצגת - קדימה מדע

‫בית חינוך תיכון גליל מערבי בשיתוף מכון ברנקו וייס‬
‫מדינת ישראל‬
‫משרד החינוך‬
‫המינהל למדע ולטכנולוגיה‬
‫אשכול פיס "מעלה יוסף"‬
‫חקלאות וחלל לזכר אילן רמון‬
‫"קדימה מדע"‬
‫שימוש בנתוני לוויין לקביעת מדדי התפתחות כותנה‬
‫מוגשת ע"י‪:‬‬
‫צוות המחקר‪:‬‬
‫רותם בן‪-‬זאב‬
‫עדן עמר‬
‫איליה לסובוי‬
‫מנחים‪:‬‬
‫ד"ר חנן איזנברג*‬
‫ענת שטיין‬
‫*מינהל המחקר החקלאי‪ ,‬מרכז מחקר נווה יער‬
‫מבוא‬
‫גידול כותנה מהווה את אחד מגידולי השלחין החשובים בישראל‪.‬‬
‫הגידול ברובו מתבסס על מודלים גידוליים המאפשרים למגדל להחליט‬
‫במהלך הגידול על שינויים במתן התשומות‪ ,‬וזאת על מנת למקסם את‬
‫פוטנציאל השדה‪.‬‬
‫החקלאות המדייקת משתמשת חיישנים ייעודיים‪ ,‬ניתן לבחון את יעילות‬
‫ההשקיה‪ ,‬דישון‪ ,‬והדברה‪ .‬רכיבי החקלאות המדייקת יוכלו לתת מידע‬
‫מדויק שיאפשר טיפול מיטבי ומשתנה במרחב בגידולים החקלאיים‪.‬‬
‫חישה מרחוק היא היכולת ליצור מידע על סמך דימות של האטמוספרה‪,‬‬
‫המים‪ ,‬הקרקע וכו'‪.‬‬
‫הזנת המידע המתקבל מלוויינים לבחינת מדדי התפתחות בכותנה יעלה‬
‫את יעילות המודל‪ ,‬יאפשר חיסכון במאמץ‪ ,‬בזמן‪ ,‬ויביא לחיסכון במים (דר'‬
‫עפר בארי‪ ,‬אגם חקלאות מתקדמת‪ ,‬קשר אישי)‪.‬‬
‫איור ‪ .1‬מגמות בתשומות חקלאיות‪ .‬שינוי במחיר התשומות החקלאיות וזמינותן על‬
‫ציר הזמן‪.‬‬
‫מודל תיאורטי שפותח במרכז מחקר נווה יער‪.2009 ,‬‬
‫פערי הידע מצוי מול רצוי‬
‫•‬
‫כיום‪ ,‬הנתונים לצורך חישה מרחוק מתקבלים מחיישנים הנמצאים‬
‫בשדה או בתחנות מטאורולוגיות שכנות‪.‬‬
‫•‬
‫מאחר ונתוני הלוויין ניתנים בחינם לכל דורש ונמצאים על הרשת‬
‫באתר נאסא‪ ,‬עלות הבאתם כוללת את פיתוח האלגוריתם המתאים‬
‫להסבתם לשפה שלנו הדרושה לבחינת התפתחות מדדי הכותנה‪.‬‬
‫•‬
‫לצורך בדיקת הישימות של הרעיון ביצענו את המחקר‬
‫מטרות המחקר‬
‫מטרת המחקר שלנו היא‪:‬‬
‫לבחון האם ניתן להזין את מודל הכותנה באמצעות‬
‫נתונים הזורמים מלוויינים בזמן אמת במהלך הגידול‬
‫ולהשוות את המודל למעשה החקלאי כיום‪.‬‬
‫כיום הנתונים מתקבלים מחיישנים הנמצאים בשדה או בתחנות‬
‫מטאורולוגיות שכנות‪ .‬אנו משערים כי נתוני חישת הלוויין יביאו במישרין‬
‫לחיסכון בעלויות הנדרשות לגידול כותנה‪.‬‬
‫במקרה דנן‪ ,‬מאחר ונתוני הלווין ניתנים בחינם לכל דורש ונמצאים על‬
‫הרשת באתר נאס"א‪ ,‬עלות הבאתם כוללת את פיתוח האלגוריתם המתאים‬
‫להסבתם לשפה שלנו הדרושה לבחינת התפתחות מדדי הכותנה‪ .‬נתונים‬
‫אלו יכולים בהחלט להוות בסיס לקלט במודל הכותנה‪.‬‬
‫מטרות המחקר‬
‫מחקר זה מהווה חלק חשוב מתוך מחקר רחב יותר בנושא‬
‫חקלאות מדייקת המתבצע במסגרת משרד החקלאות מחוז‬
‫צפון‪ ,‬מועצת הכותנה‪ ,‬חברת אגם חקלאות מתקדמת ומרכז‬
‫מחקר נווה יער‪.‬‬
‫מטרות המחקר‬
‫ייעול גידול הכותנה וקביעת מדדים גידוליים‪:‬‬
‫ייעול תהליך הגידול של הכותנה‪ ,‬בלי פגיעה בתוצרים‪.‬‬
‫מטרה זו תושג ע"י מטרות המשנה הבאות‪:‬‬
‫א‪ .‬המרת נתוני הלוויין לנתוני טמפרטורה וימי מעלה‪.‬‬
‫ב‪ .‬אימות תקפות נתוני הטמפרטורה המתקבלים מלוויין‪.‬‬
‫ג‪ .‬שימוש בנתוני החישה לקביעת מדדים התפתחותיים של הכותנה שיהוו‬
‫בעתיד נתוני קלט במודל הכותנה‪.‬‬
‫אופן הפעלת המחקר‬
‫קליטת נתוני‬
‫טמפרטורה מהלווין‬
‫והתאמתם ‪.‬‬
‫עימות מול תחנות‬
‫מדידה של תחנות‬
‫מטאורולוגיות בחוף‪.‬‬
‫התמרת ימי‬
‫הטמפרטורה לימי‬
‫מעלה‪.‬‬
‫בחינת המתאם בין ימי מעלה מלווין‬
‫לבין מדדים התפתחותיים בכותנה‬
‫דיגום ולקיחת מדדים התפתחותיים‬
‫של הכותנה‬
‫עיבוד נתונים‬
‫קליטת נתוני טמפרטורה מהלווין והתאמתם‬
‫לצורך ביצוע המחקר הזדקקנו לנתוני טמפרטורה שמתקבלים מלווין‪ .‬לשם כך‬
‫השתמשנו במערך הלווינים‪ ,MODIS ,‬של נאס"א‪ .‬הלווינים סיפקו לנו‬
‫נתונים חינמיים פעמיים ביום‪ .‬הלווינים התשמשו בטכנולוגיית ‪( IR‬אינפרא‬
‫אדום) לצורך חישוב הטמפרטורה‪.‬‬
‫חזור‬
‫עימות מול תחנות מדידה‬
‫של תחנות מטאורולוגיות בחוף‬
‫• במהלך שלושה חודשים מספר תחנות מטאורולוגיות באזור של החלקה‬
‫החקלאית שבה דגמנו אספו נתוני טמפרטורה‪ ,‬שאותן המירו לימי מעלה‪.‬‬
‫תחנת קורן שליד עכו סיפקה לנו את נתוני הטמפרטורה המרכזיים‪.‬‬
‫•‬
‫את הנתונים הנ"ל השוונו לנתונים שהתקבלו מהלוויין‪.‬‬
‫חזור‬
‫התמרת ימי הטמפרטורה לימי מעלה‬
‫• את נתוני הטמפרטורה שקיבלנו מתחנות החוף היה צריך להתמיר לימי‬
‫מעלה‪.‬‬
‫• ימי מעלה נחשבים לימים בהם התנאים להתפתחות הצמח מתאימים‪,‬‬
‫כלומר בימים אלו הטמפרטורה הייתה מתאימה בכדי שהצמח יתפתח‪.‬‬
‫חזור‬
‫אופן הפעלת המחקר‬
‫קליטת נתוני‬
‫טמפרטורה מהלווין‬
‫והתאמתם ‪.‬‬
‫עימות מול תחנות‬
‫מדידה של תחנות‬
‫מטאורולוגיות בחוף‪.‬‬
‫התמרת ימי‬
‫הטמפרטורה לימי‬
‫מעלה‪.‬‬
‫בחינת המתאם בין ימי מעלה מלווין‬
‫לבין מדדים התפתחותיים בכותנה‬
‫דיגום ולקיחת מדדים התפתחותיים‬
‫של הכותנה‬
‫עיבוד נתונים‬
‫דיגום ולקיחת מדדים התפתחותיים‬
‫של הכותנה‬
‫• במהלך שלושה חודשים‪ ,‬מתחילת יוני ועד סוף אוגוסט אנו אספנו נתוני‬
‫על צמחי הכותנה בחלקה חקלאית ביישוב לוחמי הגיטאות‪.‬‬
‫• נוטרו נתונים כגון גובה צמח‪ ,‬מספר הלקטים‪ ,‬מספר פרחים‪ ,‬גודל‬
‫ההלקטים ומשקלם התמצאות הלקטים פתוחים‪.‬‬
‫• הנתונים תוייקו ונבדקו כדי לוודא שהצמח גדל לפי מודל הכותנה‪.‬‬
‫חזור‬
‫עיבוד נתונים‬
‫את הנתונים שהתקבלו בדיגום הכותנה בחנו כדי לבדוק שהנתונים‬
‫מתאימים למודל הכותנה‪ .‬אנו השוונו את הנתונים גם לנתונים שאסף‬
‫החקלאי כדי להיות בטוחים באמינותם‪.‬‬
‫חזור‬
‫בחינת המתאם בין ימי מעלה מלווין‬
‫לבין מדדים התפתחותיים בכותנה‬
‫• בסוף התהליך יצרנו גרפים שמראים את הקשר בין ימי המעלה לנתונים‬
‫ההתפתחותיים של הצמח‪ .‬לפי הגרפים נוכחנו לראות שככל שהצטברו‬
‫ימי המעלה כך גם התפתח הצמח‪ .‬ההשוואה מוכיחה את הקשר בין ימי‬
‫המעלה ואת החשיבות בידיעתם כי אז ניתן לראות אם הצמח בשל‪.‬‬
‫• מכיוון שהנתונים שהתקבלו מהלווין היו מכוילים והתאימו לנתונים‬
‫מתחנות החוף ימי המעלה שווים בשניהם ולכן לא היה צורך לבחון את‬
‫הקשר בין כל מקור להתפתחות הצמח‪.‬‬
‫חזור‬
‫על מנת להשתמש בנתונים אמתיים לקחנו נתונים מהאתר של נס"א‪,‬‬
‫נתונים חינמיים‪.‬‬
‫ד"ר בארי ביצע את ההתמרה של נתוני הלוויין‪ ,‬על פי שיטה ייחודית‬
‫שהותאמה למחקר זה‪.‬‬
‫את הנתונים המותמרים שילבנו בעבודה‪.‬‬
‫(ההתמרה ע"י אגם חקלאות מתקדמת)‪.‬‬
‫הקשר בין טמפרטורה נמדדת מלווין לטמפרטורה הנמדדת בתחנת קורן‪.‬‬
‫נוסחת הריגרסיה המתארת את הקשר‪:‬‬
‫‪. P<0.0001 ;r2=0.83 ;Y=1.04X-1.28‬‬
‫לאחר קבלת הנתונים המתוקנים וכיולם‪ ,‬נערכה השוואה בין נתוני הלוויין‬
‫המכוילים לבין הנתונים שנמדדו בתחנת קורן (איור ‪.)4‬‬
‫מקדם המתאם בין נתוני הלוויין המכוילים לבין הטמפרטורות שנמדדו הוא‬
‫‪ ,0.83‬אך חשוב יותר‪ ,‬שיפוע קו הרגרסיה הוא בקירוב ‪.1‬‬
‫נתון זה מצביע על כך שבהחלט ניתן להשתמש בנתוני הלוויין במקום נתוני‬
‫תחנת החוף בקורן‪.‬‬
‫תוצאות המחקר‪:‬‬
‫טמפרטורות החישה שהתקבלו מלוויין ‪.Modis‬‬
‫הקו האפור מתאר את הנתונים הגולמיים‪ ,‬הקו הכחול מתאר את‬
‫הנתונים לאחר כיול מתשע תחנות מדידה של שירות‬
‫המטאורולוגיה‪ ,‬והקו השחור מתאר את הנתונים שנמדדו בתחנת‬
‫קורן‪ ,‬המוצבת בסמיכות לאתר המחקר‪.‬‬
‫השפעת ימי מעלה מצטברים על גובה‬
‫הצמח‬
‫‪1200‬‬
‫‪1000‬‬
‫‪800‬‬
‫‪600‬‬
‫‪400‬‬
‫‪200‬‬
‫גובה הצמח (ס"מ)‬
‫‪140‬‬
‫‪120‬‬
‫‪100‬‬
‫‪80‬‬
‫‪60‬‬
‫‪40‬‬
‫‪20‬‬
‫‪0‬‬
‫‪0‬‬
‫גיל פיסיולוגי (ימי מעלה)‬
‫הקשר בין ימי המעלה לגובה הצמח‪.‬‬
‫מהאיור ניתן לראות שעם צבירת ימי המעלה גובה הצמח עלה‪.‬‬
‫אולם מ‪ 800 -‬ימי מעלה הגובה נשאר יציב‪ ,‬מאחר ומרבית משאבי הצמח‬
‫הועברו ליצור‬
‫הרקמות הרפרודוקטיביות‪ ,‬קרי‪ ,‬ההלקטים הגדולים והפתוחים‪.‬‬
‫השפעת ימי מעלה מצטברים על‬
‫מספר ענפי הפרי‬
‫‪1200‬‬
‫‪1000‬‬
‫‪800‬‬
‫‪600‬‬
‫‪400‬‬
‫‪200‬‬
‫מספר ענפי הפרי‬
‫‪18.0‬‬
‫‪15.0‬‬
‫‪12.0‬‬
‫‪9.0‬‬
‫‪6.0‬‬
‫‪3.0‬‬
‫‪0.0‬‬
‫‪0‬‬
‫גיל פיסיולוגי (ימי מעלה)‬
‫הקשר בין ימי המעלה למספר ענפי פרי‪ .‬ניתן לראות כי מספר ענפי הפרי‪,‬‬
‫שהם מדד להתפתחות‬
‫תקינה של הכותנה מושפע מימי מעלה‪ ,‬ועולה כל שצבירת ימי המעלה‬
‫עולה‪.‬‬
‫השפעת ימי מעלה מצטברים על‬
‫קומת הפרח‬
‫‪12.0‬‬
‫‪8.0‬‬
‫‪4.0‬‬
‫קומת פרח‬
‫‪16.0‬‬
‫‪0.0‬‬
‫‪1200‬‬
‫‪900‬‬
‫‪600‬‬
‫‪300‬‬
‫‪0‬‬
‫גיל פיסיולוגי (ימי מעלה)‬
‫הקשר בין ימי מעלה לקומת הפרח‪ .‬מספר ענפי הפרחים גם כן מושפעים מימי‬
‫מעלה‪.‬‬
‫החל מ‪ 200 -‬ימי מעלה‪ .‬החלו להיווצר בצמחי הכותנה ענפי פריחה‪,‬‬
‫שמספרם הלך וגדל עם צבירת ימי המעלה‬
‫השפעת ימי מעלה מצטברים על‬
‫מספר הלקטים קטנים ופרחים‬
‫‪16.0‬‬
‫‪8.0‬‬
‫‪4.0‬‬
‫‪0.0‬‬
‫‪1200‬‬
‫‪900‬‬
‫‪600‬‬
‫‪300‬‬
‫מספר הלקטים‬
‫קטנים ופרחים‬
‫‪12.0‬‬
‫‪0‬‬
‫גיל פיסיולוגי (ימי מעלה)‬
‫הקשר בין ימי מעלה מצטברים למספר ההלקטים הקטנים והפרחים‪ .‬ניתן לראות‬
‫כי עד ‪ 500‬ימי מעלה‬
‫חלה עלייה במספר ההלקטים הקטנים והפרחים‪ ,‬ומייד לאחר מכן ירידה‬
‫במספרם‪.‬‬
‫הסיבה לכך נובעת מהעובדה שכאשר הצמחים היו מבוגרים והפסיקו להשקות‬
‫אותם‪,‬‬
‫הם הפנו את האנרגיה שלהם לפיתוח ההלקטים הגדולים והפתוחים על חשבונם‬
‫של הפרחים הקטנים‪.‬‬
‫השפעת ימי מעלה המצטברים על‬
‫מספר ההלקטים הבינוניים‬
‫‪6.0‬‬
‫‪4.0‬‬
‫‪2.0‬‬
‫‪0.0‬‬
‫‪1200‬‬
‫‪1000‬‬
‫‪800‬‬
‫‪600‬‬
‫‪400‬‬
‫‪200‬‬
‫מספר הלקטים‬
‫בינוניים‬
‫‪8.0‬‬
‫‪0‬‬
‫גיל פיסיולוגי (ימי מעלה)‬
‫הקשר בין ימי מעלה מצטברים למספר ההלקטים הבינוניים‪.‬‬
‫ניתן לראות שעד ‪ 800‬ימי מעלה מספר ההלקטים הבינוניים עלה‪ ,‬אולם‬
‫כאשר הצמחים היו מבוגרים והפסיקו להשקות אותם הם הפנו את האנרגיה‬
‫שלהם לפיתוח ההלקטים הגדולים והפתוחים מפיתוח ההלקטים הקטנים‪,‬‬
‫ולכן מספרם קטן כי הם הפכו להלקטים הגדולים‬
‫השפעת ימי מעלה מצטברים על‬
‫מספר ההלקטים הגדולים‬
‫‪1200‬‬
‫‪1000‬‬
‫‪800‬‬
‫‪600‬‬
‫‪400‬‬
‫‪200‬‬
‫מספר הלקטים‬
‫גדולים‬
‫‪25.0‬‬
‫‪20.0‬‬
‫‪15.0‬‬
‫‪10.0‬‬
‫‪5.0‬‬
‫‪0.0‬‬
‫‪0‬‬
‫גיל פיסיולוגי (ימי מעלה)‬
‫הקשר בין ימי מעלה מצטברים למספר ההלקטים הגדולים‪ .‬ההלקטים‬
‫הגדולים‪ ,‬שבסוף הגידול נקטפים ומהווים חלק משמעותי ביבול‪ ,‬עולה עם‬
‫צבירת ימי מעלה‪.‬‬
‫תהליך זה מתחיל ב‪ 500 -‬ימי מעלה‪ ,‬ומגיע עד ל‪ 20 -‬הלקטים לצמח ב‪100 -‬‬
‫ימי מעלה‬
‫השפעת ימי מעלה מצטברים על‬
‫מספר הלקטים פתוחים‬
‫‪1200‬‬
‫‪1000‬‬
‫‪800‬‬
‫‪600‬‬
‫‪400‬‬
‫‪200‬‬
‫מספר הלקטים‬
‫פתוחים‬
‫‪2.5‬‬
‫‪2.0‬‬
‫‪1.5‬‬
‫‪1.0‬‬
‫‪0.5‬‬
‫‪0.0‬‬
‫‪0‬‬
‫גיל פיסיולוגי (ימי מעלה)‬
‫הקשר בין ימי מעלה מצטברים למספר ההלקטים הפתוחים‪ .‬מספר ההלקטים‬
‫הפתוחים‬
‫מתחיל לגדול בצורה משמעותית ב‪ 800 -‬ימי מעלה‪ ,‬כ‪ 300 -‬ימי מעלה לאחר‬
‫שצפינו בהלקטים גדולים‪.‬‬
‫כאשר הצמח היה בוגר מספיק צצו ההלקטים הפתוחים‪ ,‬שהם סוף התפתחות‬
‫הפרי של צמח הכותנה‪,‬‬
‫ומספרם גדל על חלוף הזמן‬
‫דיון ומסקנות‬
‫•ניתן להשתמש בנתוני לווין מכוילים לצורך קבלת נתונים ומדדי התפתחות‬
‫של כותנה‪.‬‬
‫מדדים אלו יכולים להיות כנתוני קלט במודל הכותנה‪.‬‬
‫•בעבודה זו הראנו כי התקדמות הטכנולוגית וזמינותה מאפשרת שימוש‬
‫בכלים שלא היו זמינים‪ ,‬או מחירם לא אפשר זאת בעבר‪ .‬במקרה שלנו‬
‫השימוש נעשה בלווין ‪ ,MODIS‬שנתוניו זמינים חינם ברשת לכל דורש‪.‬‬
‫•באמצעות נתוני ‪ MODIS‬ניתן לפתח גרפים המתארים מדדי גדילה של‬
‫הכותנה‪.‬‬
‫דיון ומסקנות‬
‫ניתן ללמוד שחישה באמצעות לווין והתמרת נתונים לימי מעלה מהווים‬
‫בצורה מהימנה בסיס לפיתוח מודל גידולי‪.‬‬
‫נתונים אלו יכולים להוות כקלט למודל הכותנה‪ ,‬או בכל מודל גידולי אחר‪.‬‬
‫שימוש בטכנולוגיה זו בעתיד‪ ,‬תאפשר לחקלאים להשתמש בנתונים אלה‬
‫לצרכיהם‪.‬‬
‫לדוגמה‪ :‬שימוש בנתונים יכול להיעשות לצורכי השקיה‪ ,‬שיביא באופן ישיר‬
‫לחיסכון במים‪ .‬במידה והחישה תשפר את המודלים הגידוליים‪ ,‬הצרכן ייהנה‬
‫מיבול איכותי יותר במחיר נמוך יותר‪.‬‬
‫הצעה להמשך המחקר‬
‫אנו מציעים לפתח מודל שיפשט את התמרת‬
‫הנתונים המתקבלים מלווין וכיולם‪ ,‬על מנת‬
‫שישמשו כקלט במודל הכותנה‪.‬‬
‫בנוסף לכך אנו מציעים לבחון את הטכנולוגיה גם‬
‫על גידולים אחרים‪.‬‬
‫תודות‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫ד"ר חנן איזנברג‪ ,‬מדען ומנחה‬
‫צוות המחקר במרכז המחקר בנווה יער‬
‫ענת שטיין‪ ,‬מנחה ומלווה‬
‫שי‪-‬מיטל‪ ,‬מנכ"ל חברת "אגם"‬
‫ד"ר עופר בארי‪ ,‬מנהל מו"פ "אגם"‬
‫בועז נוי‪ ,‬שה"מ משרד החקלאות‬
‫איציק כהן‪ ,‬גד"ש אש"ל‬
‫טליה הורביץ‪ ,‬מטאורולוגיה חקלאית‪ ,‬תחנה מטאורולוגית בבית דגן‬
‫ד"ר יפית כהן מהמכון להנדסה חקלאית‪ ,‬מכון וולקני‬
‫ביה"ס‪ ,‬על התמיכה והמשאבים‬