Document
Effectiveness of using drone-based thermal/infrared camera in enhancing the performance of controlled environment agriculture.
Source
Master's thesis
Other titles
فعالية استخدام الكاميرا الحرارية/الأشعة تحت الحمراء المعتمدة على الطائرات بدون طيار في تحسين أداء الزراعة في البيوت المحمية.
Country
Oman
City
Muscat
Publisher
Sultan Qaboos University.
Gregorian
2024
Language
English
Subject
Thesis Type
Master's thesis
English abstract
One of the requirements that must be met in the production of controlled environment agriculture (CEA) is the continuous monitoring of the plant's physiological properties and internal environment parameters. CEA, with the Internet of Things (IoT) and Wireless Sensor Network (WSN) technologies, provides high-technology tools for automatically monitoring and detecting CEA microclimate and the plant's physiology condition. Additionally, remote sensing technology, including drone applications, is considered a critical technology that can be adapted to CEA. Since estimating canopy temperature (Tc) is a crucial step in monitoring plant water status, this research aimed to investigate the effectiveness of remote sensing via a drone-based thermal /infrared camera in enhancing the performance of CEA and monitoring plant health. In this study, we developed a technique for assessing Tc via thermocouple and thermal imaging for pepper plants in a CEA to identify plants that suffer from water stress and verify its potential to be used as a technology to assess sweet pepper water status using thermal imaging. For the microclimate inside the CEA, we used several WSN sensors (air temperature/Relative humidity, Soil moisture content, Solar radiation, and Photosynthesis). Furthermore, we evaluated the influence of three irrigation levels ranging from 50% ETc, 150% ETc, and 200% ETc in comparison to 100%ETc C (control), which was the sufficient amount of water used for the plants. The results revealed that the microclimate inside CEA was proper for plant growth by detecting internal parameters. However, thermal analysis showed that all treatments were significantly different from the control (C). Although, T2 and T3 were not significantly different from each other. The overall correlation of Tc between drone-based thermal images and in-situ sensor-based detection was excellent with an R2 of 0.9587. Crop Water Stress Index (CWSI) was calculated based on Tc extracted from thermal images and then used for crop water deficit diagnosis. The results indicated that the approach used to calculate CWSI can effectively measure plant stress, which helps farmers decide on irrigation schedules. The findings showed a positive relationship between the plant's CWSI and its Tc at midday, as well as the relationship between soil moisture content and CWSI. In general, the technique utilized in this study has the potential to enhance irrigation scheduling and provide accurate crop water requirements in specific spatial and temporal dimensions.
Arabic abstract
أحد المتطلبات التي يجب استيفاؤها في إنتاج الزراعة في البيوت المحمية (CEA) هو المراقبة المستمرة للخصائص الفسيولوجية للنبات ومعايير البيئة الداخلية. توفر الزراعة في البيوت المحمية، مع تقنيات إنترنت الأشياء (IoT) وشبكة الاستشعار اللاسلكية (WSN)، أدوات عالية التقنية للمراقبة والاكتشاف التلقائي للبيئة الداخلية للبيوت المحمية وحالة النبات الفسيولوجية فيها. بالإضافة إلى ذلك، تعتبر تقنية الاستشعار عن بعد، بما في ذلك تطبيقات الطائرات بدون طيار، تقنية بالغة الأهمية يمكن تكييفها مع الزراعة في البيوت المحمية.
نظرًا لأن تقدير درجة حرارة النبات (Tc) يعد خطوة حاسمة في مراقبة حالة المياه في النباتات، فقد هدف هذا البحث إلى التحقيق في فعالية استخدام الاستشعار عن بعد عبر طائرات بدون طيار مزودة بكاميرا حرارية/تحت الحمراء في تحسين أداء الزراعة في البيوت المحمية ومراقبة صحة النبات فيها. في هذه الدراسة، قمنا بتطوير تقنية لتقييم درجة الحرارة عبر التصوير الحراري وعبر استخدام المستشعرات للنباتات، بما في ذلك نباتات الفلفل المزروعة في البيوت المحمية، لتحديد النباتات التي تعاني من الإجهاد المائي بالنسبة للبيئة داخل البيت المحمي.
استخدمنا العديد من أجهزة استشعار WSN لقياس درجة حرارة الهواء، الرطوبة النسبية، محتوى رطوبة التربة، الإشعاع الشمسي، والتمثيل الضوئي. علاوة على ذلك، قمنا بتقييم تأثير ثلاثة مستويات للري تتراوح بين 50% من ET، 150% من ETc، و200% من ETc بمستويات 2 و3 بالمقارنة مع 100% من ETc، والتي تم اعتبارها كمستوى مرجعي يعبر عن الكمية الكافية من المياه التي يجب استخدامها لنبات الفلفل.
كشفت النتائج أن البيئة الداخلية للبيت المحمي كانت مناسبة لنمو النبات. ومع ذلك، أظهر التحليل الحراري أن جميع المعالجات كانت مختلفة بشكل كبير عن المستوى المرجعي، على الرغم من أن 12 و13 لم يختلفا بشكل كبير عن بعضهما البعض. وكان الارتباط العام لـ Te بين الصور الحرارية المستندة إلى الطائرات بدون طيار والكشف المستند إلى المستشعرات ممتازًا مع R² وصل إلى 0.9587.
كذلك تم حساب مؤشر إجهاد الماء للمحصول (CWSI) بناءً على Te المستخرج من الصور الحرارية، والذي استخدم لتشخيص نقص المياه في المحاصيل. وأشارت النتائج إلى أن النهج المستخدم لحساب مؤشر CWSI يمكنه قياس إجهاد النبات بشكل فعال، مما يساعد المزارعين على اتخاذ قرار بشأن جدول الري. وأظهرت النتائج وجود علاقة إيجابية بين مؤشر CWSI للنبات ودرجة حرارة الماء عند منتصف النهار، بالإضافة إلى العلاقة بين محتوى رطوبة التربة ومؤشر CWSI بشكل عام.
بذلك، تتمتع التقنية المستخدمة في هذه الدراسة بإمكانية تحسين جدولة الري وتوفير معطيات دقيقة لكمية المياه المراد استخدامها للمحاصيل لأي أبعاد مكانية وزمانية داخل البيوت المحمية.
نظرًا لأن تقدير درجة حرارة النبات (Tc) يعد خطوة حاسمة في مراقبة حالة المياه في النباتات، فقد هدف هذا البحث إلى التحقيق في فعالية استخدام الاستشعار عن بعد عبر طائرات بدون طيار مزودة بكاميرا حرارية/تحت الحمراء في تحسين أداء الزراعة في البيوت المحمية ومراقبة صحة النبات فيها. في هذه الدراسة، قمنا بتطوير تقنية لتقييم درجة الحرارة عبر التصوير الحراري وعبر استخدام المستشعرات للنباتات، بما في ذلك نباتات الفلفل المزروعة في البيوت المحمية، لتحديد النباتات التي تعاني من الإجهاد المائي بالنسبة للبيئة داخل البيت المحمي.
استخدمنا العديد من أجهزة استشعار WSN لقياس درجة حرارة الهواء، الرطوبة النسبية، محتوى رطوبة التربة، الإشعاع الشمسي، والتمثيل الضوئي. علاوة على ذلك، قمنا بتقييم تأثير ثلاثة مستويات للري تتراوح بين 50% من ET، 150% من ETc، و200% من ETc بمستويات 2 و3 بالمقارنة مع 100% من ETc، والتي تم اعتبارها كمستوى مرجعي يعبر عن الكمية الكافية من المياه التي يجب استخدامها لنبات الفلفل.
كشفت النتائج أن البيئة الداخلية للبيت المحمي كانت مناسبة لنمو النبات. ومع ذلك، أظهر التحليل الحراري أن جميع المعالجات كانت مختلفة بشكل كبير عن المستوى المرجعي، على الرغم من أن 12 و13 لم يختلفا بشكل كبير عن بعضهما البعض. وكان الارتباط العام لـ Te بين الصور الحرارية المستندة إلى الطائرات بدون طيار والكشف المستند إلى المستشعرات ممتازًا مع R² وصل إلى 0.9587.
كذلك تم حساب مؤشر إجهاد الماء للمحصول (CWSI) بناءً على Te المستخرج من الصور الحرارية، والذي استخدم لتشخيص نقص المياه في المحاصيل. وأشارت النتائج إلى أن النهج المستخدم لحساب مؤشر CWSI يمكنه قياس إجهاد النبات بشكل فعال، مما يساعد المزارعين على اتخاذ قرار بشأن جدول الري. وأظهرت النتائج وجود علاقة إيجابية بين مؤشر CWSI للنبات ودرجة حرارة الماء عند منتصف النهار، بالإضافة إلى العلاقة بين محتوى رطوبة التربة ومؤشر CWSI بشكل عام.
بذلك، تتمتع التقنية المستخدمة في هذه الدراسة بإمكانية تحسين جدولة الري وتوفير معطيات دقيقة لكمية المياه المراد استخدامها للمحاصيل لأي أبعاد مكانية وزمانية داخل البيوت المحمية.
Category
Theses and Dissertations