W 2013 roku IMGW-PIB, w ramach projektu PLGrid, podjął współpracę z Poznańskim Centrum Superkomputerowo-Sieciowym (PCSS) w zakresie możliwości wykorzystania kamer oraz infrastruktury IT do prowadzenia obserwacji roślin dziko rosnących i uprawnych. W efekcie powstał pierwszy i jedyny w Polsce portal fenologiczny udostępniający na bieżąco wyniki obserwacji wybranych roślin.
AUTORZY:
Joanna Chmist-Sikorska, IMGW-PIB/Centrum Meteorologicznej Osłony Kraju/Zespół Prognoz Specjalistycznych
Małgorzata Kępińska-Kasprzak, IMGW-PIB/Centrum Meteorologicznej Osłony Kraju/Zespół Prognoz Specjalistycznych
Fenologia, jako nauka, zajmuje się analizą zmian zachodzących w cyklu życiowym roślin oraz zwierząt, uwarunkowanych zmiennością pór roku. Reakcja roślin na warunki pogodowe oraz na zmianę klimatu ma charakter kompleksowy, nie następuje bowiem jako wynik reakcji na pojedynczy element, ale jest sumarycznym odbiciem wszystkich składowych klimatu jako całości. Kluczowymi czynnikami przy prowadzeniu obserwacji, bazujących na badaniu zależności cech organizmów od szeroko pojętych warunków środowiskowych, jest systematyczność oraz długofalowość pomiarów. Czynnik ludzki może być w takich przypadkach zawodny i jego eliminacja znacząco przyczynia się do podniesienia jakości statystycznej zbieranych danych. Rozwiązanie tego problemu mogą przynieść obserwacje automatyczne testowane w ramach projekt PLGrid.
Innowacyjne metody badań
Obserwacje fenologiczne wykonywane za pomocą aparatów cyfrowych pozwalają na odbieranie i gromadzenie dużej liczby obrazów, które można na bieżąco analizować lub przechowywać do późniejszego wykorzystania. Systematyczne fotografowanie roślin, w połączeniu z obserwacjami meteorologicznymi prowadzonymi w miejscu wykonywania zdjęć fenologicznych, daje możliwość pogłębienia wiedzy i zrozumienia zawiłych zależności między warunkami naturalnymi i zjawiskami fenologicznymi. Dodatkową zaletą tej metody jest pozyskiwanie danych, które mogą podlegać dalszej obróbce matematycznej i statystycznej, jak np. udział poszczególnych kolorów (RGB) w każdym obrazie. Takie dane wykorzystywane są m.in. do obliczenia wskaźników stopnia rozwoju wegetacji. Z uwagi na coraz niższe ceny sprzętu fotograficznego obserwacje fenologiczne z wykorzystaniem zdjęć stają się z każdym rokiem znacznie bardziej dostępne, a analizę uzyskanych obrazów można prowadzić na bieżąco lub przechowywać do późniejszego wykorzystania.
Należy jednak pamiętać, że instalacja zautomatyzowanej stacji do obserwacji fenologicznych wymaga wiedzy multidyscyplinarnej. Mechaniczne elementy (kamera, obrotnica, system kontrolowania) muszą zostać odpowiednio zmontowane i zmodyfikowane, aby spełniać wymogi stawiane przez naukę jaką jest fenologia (np. zbliżenie na pojedynczą roślinę w celu uchwycenia momentu kwitnięcia). Wymaga to zatem zarówno wiedzy z zakresu fenologii, agrometeorologii, jak i inżynierii i elektroniki. Ponadto wdrożenie złożonego systemu, który umożliwi zdalny dostęp do poszczególnych komponentów i przechowywanie generowanych przez nie danych, a także stworzenie portalu zapewniającego użytkownikom kontrolę i dostęp do danych fenologicznych, to zadanie dla grupy informatyków. Dodatkowo należy pamiętać, że każdy sprzęt elektroniczny ulega zużyciu, a naprawa pojedynczej części często przewyższa cenę nowej.
W Polsce obserwacje fenologiczne prowadzone są według szczegółowej metodologii, która wyróżnia następujące etapy rozwoju roślin: otwieranie się pączków liściowych, kwitnienie, listnienie, dojrzewanie i rozsypywanie owoców i nasion, zmiana barwy i opadanie liści. Od 2007 roku w ramach sieci IMGW-PIB stacje synoptyczne prowadzą obserwacje kolejnych faz rozwojowych wybranych dziko rosnących roślin przez specjalnie przeszkolonych do tego celu pracowników. Każdorazowo obserwacje są zapisywane w specjalnym formularzu i wysyłane drogą mailową. Otrzymane w ten sposób dane są sprawdzane pod kątem poprawności – błędnie wpisana data danego pojawu może skutkować niepoprawnym stworzeniem map i błędną analizą. W przypadku jakichkolwiek wątpliwości obserwator, który przesłał dane, jest proszony o ich wyjaśnienie. Problem pojawia się w przypadku, gdy dane zostaną sprawdzone zbyt późno lub pracownik stacji wysyła kilka obserwacji jednocześnie. Wówczas wyjaśnienie potencjalnego błędu może okazać się niemożliwe. W przypadku codziennego wykonywania zdjęć danej rośliny, problem ten wydaje się nie istnieć.
Pilotażowy projekt IMGW-PIB
Sieć zdalnego monitoringu utrzymywana była w ramach projektu PLGrid od 2013 do 2017 roku. Pierwsza automatyczna stacja do obserwacji fenologicznych powstała w Trzebawiu, 20 km na południowy zachód od Poznania, na terenie Wielkopolskiego Parku Narodowego. O wyborze tego miejsca zadecydowała zarówno obecność kilku roślin wskaźnikowych, jak i konieczność zapewnienia odpowiednich środków ochrony i eksploatacji zainstalowanych urządzeń. Oprócz aparatu fotograficznego, umieszczonego na specjalnie zaprojektowanym, ruchomym statywie, stacja wyposażona została w zestaw czujników rejestrujących automatycznie wszystkie czynniki mające potencjalny wpływ na rozwój roślinności. Dokonywano tam pomiarów podstawowych elementów meteorologicznych oraz temperatury i wilgotności gleby. Dodatkowo w odległości 80 m od stacji zainstalowano deszczomierz Hellmanna. Wszystkie dane – zarówno meteorologiczne, jak i w postaci zdjęć roślin – były przesyłane automatycznie na serwer, a następnie udostępniane na dedykowanym portalu internetowym, co pozwalało na ich bieżącą analizę. Ogromną zaletą systemu była możliwość rejestracji zjawisk meteorologicznych, których nie notują automatyczne stacje meteorologiczne, takich jak mgła, opad śniegu czy marznącego deszczu.
Automatyczna stacja pozwala na bieżące obserwacje pojawów fenologicznych oraz analizę czasu trwania kolejnych fenofaz na danym obszarze. Dzięki zdjęciom wykonywanym trzy razy dziennie o stałych godzinach, możliwe było natychmiastowe sprawdzenie wpływu ekstremalnych warunków atmosferycznych na stan i rozwój roślin. Dodatkowo umożliwiało to śledzenie stopnia opanowania kasztanowców w różnych okresach przez szrotówka kasztanowcowiaczka, który od lat atakuje te drzewa w całym kraju.
Koniec projektu – co dalej?
Uruchomienie stacji pilotażowej na terenie Wielkopolskiego Parku Narodowego dostarczyło nieocenionych doświadczeń zarówno w odniesieniu do samych obserwacji fenologicznych, jak i rozwiązywaniu szeregu problemów technicznych. W ciągu kilku lat trwania projektu wygenerowano ogromną ilość danych i obrazów, które są obecnie przechowywane na zasobach dyskowych PCSS-u.
Dzięki coraz lepszym narzędziom do obróbki danych, zarchiwizowane zdjęcia są ponownie analizowane pod kątem możliwości wykrycia niedoborów wody dla roślin. W czerwca 2020 roku nawiązano współpracę między IMGW-PIB a Pracownią Bioklimatologii Uniwersytetu Przyrodniczego w Poznaniu w zakresie wizualizacji zmian zachodzących w rozwoju roślin uprawnych podczas nadmiarów i niedoborów wody. Ponadto pilotażowe badania zainspirowały pracowników poznańskiej uczelni do budowy własnej sieci tzw. fenokamer. Obecnie trwa instalacja sprzętu m.in. na torfowisku w Rzecinie, przy czym zgodę na budowę stacji otrzymano również w czterech innych miejscach.
Pomimo tego, że obserwacje fenologiczne z wykorzystaniem fotografii stają się z każdym rokiem znacznie bardziej powszechne, wiedza i doświadczenie obserwatorów nadal są niezastąpione. Działająca w IMGW-PIB sieć obserwacyjna będzie jeszcze przez szereg lat pierwszorzędnym źródłem informacji, z którego korzystają zarówno pracownicy przy realizacji bieżących zadań, jak i naukowcy spoza Instytutu. Dlatego też rzetelne prowadzenie i zapisywanie obserwacji oraz ich terminowe przesyłanie jest tak istotne dla działań IMGW-PIB.
Zdjęcie główne: Zuza Reinhard | Unsplash
Małgorzata Kępińska-Kasprzak
Doktor nauk technicznych w zakresie inżynierii środowiska, absolwentka Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu. W IMGW-PIB od 1979 roku. Obecnie zajmuje się realizacją zadań w zakresie agrometeorologii i fenologii, a także klimatologii i hydrologii. Jej zawodowe zainteresowania skupiają się w ostatnich latach na wpływie susz na poszczególne strefy środowiska przyrodniczego oraz na produkcję rolną. Autorka około 80 publikacji z zakresu hydrologii, klimatologii i agrometeorologii. Realizatorka projektów międzynarodowych INTERREG, COST oraz ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego, a także projektów NCN i na zamówienie Ministerstwa Środowiska i KZGW związanych z analizą zagrożenia suszą oraz agrometeorologią i fenologią.
Joanna Chmist-Sikorska
Doktor inżynierii środowiska, górnictwa i energetyki. Absolwentka Uniwersytetu Przyrodniczego w Poznaniu. W IMGW-PIB od 2019 roku. Zajmuje się realizacją prac i analiz w zakresie agrometeorologii, a także klimatologii i meteorologii. Obecnie jej zawodowe zainteresowania skupiają się na modelowaniu zjawisk zachodzących w rolniczej przestrzeni produkcyjnej. Autorka 15 publikacji z zakresu inżynierii środowiska.
