Od kosmosu do gleby. Uczniowie z Radomia wykorzystują satelity Sentinel-2 do badania zagłębia paprykowego. Climate Detectives 2026/2027.
Autorem artykułu jest Pan Sławomir Smagowski – serdecznie dziękujemy!
Czy na podstawie zdjęć satelitarnych można określić, jak w ciągu 35 lat zmieniała się powierzchnia tuneli foliowych? Czy algorytmy teledetekcyjne pozwolą wykryć ich lokalizację, a następnie powiązać historię użytkowania gruntów ze zmianami właściwości gleby? Odpowiedzi na te pytania szuka pięcioro uczniów III Liceum Ogólnokształcącego im. płk. Dionizego Czachowskiego w Radomiu, uczestniczących w konkursie Climate Detectives organizowanym przez Europejską Agencję Kosmiczną (ESA) oraz Europejskie Biuro Edukacji Kosmicznej ESERO.
Zagłębie paprykowe jako laboratorium obserwacji Ziemi
Rejon Potworowa na Mazowszu jest jednym z najważniejszych obszarów produkcji papryki pod tunelami foliowymi w Polsce. Tysiące charakterystycznych, jasnych konstrukcji tworzą krajobraz rolniczy, który można obserwować również z orbity okołoziemskiej.
W ramach projektu promowanego pod hasłem „Papryka przyszłości – jak chronić glebę i wodę?” uczniowie postanowili połączyć technologie obserwacji Ziemi z badaniami laboratoryjnymi i terenowymi.
Głównym celem jest sprawdzenie, jak rozwijały się uprawy pod osłonami, jakie zmiany właściwości gleby towarzyszą ich wieloletniemu użytkowaniu oraz jakie rozwiązania mogą pomóc rolnikom dłużej zachować żyzność gleby i racjonalnie gospodarować wodą.
Sentinel-2 i automatyczne wykrywanie tuneli foliowych
Jednym z najważniejszych elementów projektu jest analiza zobrazowań satelitarnych pochodzących z europejskiego programu Copernicus, w szczególności z satelitów Sentinel-2.
Uczniowie wykorzystują platformę Copernicus Browser, w której testują algorytmy umożliwiające identyfikację obszarów pokrytych tunelami foliowymi na podstawie ich charakterystyki spektralnej.
Podstawą prac jest Advanced Plastic Greenhouse Index (APGI) — wskaźnik zaproponowany przez zespół Peng Zhanga w 2022 r. do wykrywania obiektów pokrytych folią na obrazach Sentinel-2.
Metoda wykorzystuje różnice w odbiciu promieniowania elektromagnetycznego przez folię, roślinność, glebę i inne powierzchnie.
W analizach wykorzystywane są między innymi pasma:
- B01 — coastal aerosol, około 443 nm;
- B04 — czerwone, około 665 nm;
- B08 — bliska podczerwień (NIR), około 842 nm;
- B12 — krótkofalowa podczerwień (SWIR2), około 2190 nm.
W prowadzonych testach uczniowie wykorzystują następującą eksperymentalną postać wskaźnika spektralnego:
Jest to testowa implementacja inspirowana podejściem APGI, a nie potwierdzona reprodukcja oryginalnego wzoru z publikacji naukowej. Jej skuteczność w warunkach gminy Potworów jest obecnie oceniana.
W Copernicus Browser uczniowie wykorzystują własne skrypty JavaScript (Evalscript), które obliczają wartości wskaźników dla pikseli obrazu i wyróżniają obszary mogące odpowiadać skupiskom tuneli.
Własny algorytm rozwijany w Google Earth Engine
Równolegle zespół pracuje nad autorską udoskonaloną metodą automatycznej identyfikacji tuneli foliowych z wykorzystaniem Google Earth Engine (GEE).
Celem jest połączenie informacji pochodzących z APGI i innych wskaźników spektralnych z metodami uczenia maszynowego, które pozwolą lepiej odróżniać tunele od odkrytej gleby, dachów budynków i innych powierzchni o podobnych właściwościach odbicia promieniowania.
Uczniowie rozważają wykorzystanie klasyfikatora Random Forest, trenowanego na przykładach obszarów z tunelami oraz terenów, na których tunele nie występują.
Jednym z największych wyzwań jest rozdzielczość przestrzenna Sentinel-2. Typowe tunele paprykowe mają szerokość około 6–7 metrów, podczas gdy piksele wykorzystywanych pasm satelitarnych odpowiadają obszarom o wymiarach od 10 do 60 metrów.
Oznacza to, że pojedyncze tunele nie zawsze można wiarygodnie rozpoznać. Dlatego rozwijany algorytm ma przede wszystkim identyfikować większe skupiska tuneli, a jego wyniki będą porównywane z dokładniejszymi zdjęciami lotniczymi.
Celem prac jest stworzenie metody umożliwiającej możliwie dokładne oszacowanie powierzchni upraw pod osłonami na podstawie ogólnodostępnych danych satelitarnych, przy jednoczesnym określeniu błędów i ograniczeń takiej klasyfikacji.
Jak zmieniało się zagłębie paprykowe w latach 1990–2025?
Drugim elementem analiz przestrzennych jest wykorzystanie archiwalnych ortofotomap i zdjęć lotniczych udostępnianych przez polski Geoportal.
Uczniowie zamierzają porównać dostępne zobrazowania z różnych lat, aby odtworzyć rozwój powierzchni zajmowanej przez tunele foliowe w gminie Potworów.
Planowane analizy obejmują obliczenie całkowitej powierzchni tuneli w poszczególnych latach, określenie tempa jej przyrostu oraz identyfikację terenów, na których tunele pojawiały się lub znikały.
Zespół chce również porównać obrazy z okresu letniego i zimowego, aby sprawdzić, jaka część tuneli pozostaje przykryta folią przez cały rok, a jaka jest odsłaniana po zakończeniu sezonu uprawowego.
Wyniki mogą pomóc ocenić skalę stosowania praktyk umożliwiających naturalny dostęp opadów atmosferycznych do gleby.
Dostępność dokładnych archiwalnych zobrazowań jest jednak nierównomierna. Dlatego ostateczny zakres porównań będzie zależał od jakości i dat pozyskanych materiałów.
Co dzieje się z glebą pod tunelami?
Obserwacje satelitarne są częścią szerszego programu badań środowiskowych.
Uczniowie przeprowadzili już pomiary temperatury i wilgotności powietrza oraz gleby, badania właściwości wody wykorzystywanej do nawadniania oraz analizy laboratoryjne próbek gleby z czterech stanowisk o różnej historii użytkowania.
Próbki pobrano spod czynnego tunelu paprykowego, z pól po tunelach usuniętych około 2–3 i 10–15 lat temu oraz z pola kontrolnego, na którym nie prowadzono upraw pod osłonami.
Pierwsze wyniki wykazały wyraźne różnice w zasoleniu i zawartości składników mineralnych. Przykładowo, zawartość fosforu pod czynnym tunelem wynosiła 332,1 mg/l, a na polu kontrolnym 21,3 mg/l.
Na stanowisku, z którego tunele usunięto około 2–3 lata wcześniej i gdzie następnie prowadzono uprawy bez nawożenia, zawartość fosforu nadal wynosiła 270,2 mg/l.
Wyniki sugerują, że historia intensywnej uprawy może pozostawiać długotrwały ślad w składzie chemicznym gleby. Potwierdzenie przyczyn tych różnic wymaga jednak dalszych badań.
Czy deszczówka może pomóc w regeneracji gleby?
Kolejnym etapem projektu będzie eksperyment polegający na przepłukiwaniu próbek zasolonej gleby różnymi ilościami wody.
Uczniowie chcą sprawdzić, jak skutecznie można ograniczyć zasolenie oraz jakie składniki pokarmowe zostają przy tym wymywane. Jeśli uda się przeprowadzić analizę chemiczną odcieku, będzie można również ocenić potencjalne ryzyko przemieszczania rozpuszczonych składników w kierunku wód podziemnych.
Równolegle zespół analizuje możliwości zbierania i magazynowania deszczówki spływającej z tuneli foliowych.
Z tunelu o wymiarach 7 × 30 metrów podczas opadu 30 mm można potencjalnie odzyskać około 5000 litrów wody, zakładając 80-procentową sprawność zbierania.
Uczniowie chcą zestawić te obliczenia z historycznymi danymi opadowymi i zapotrzebowaniem upraw na wodę.
Kosmiczne technologie w służbie lokalnego rolnictwa
Projekt pokazuje, jak technologie opracowane do obserwacji Ziemi mogą wspierać badania problemów ważnych dla lokalnych społeczności.
Połączenie danych satelitarnych, archiwalnych zdjęć lotniczych, analiz laboratoryjnych i eksperymentów może pomóc lepiej zrozumieć długoterminowe zmiany użytkowania gruntów oraz wskazać sposoby bardziej zrównoważonego prowadzenia upraw.
Projekt realizuje pięcioro uczniów III Liceum Ogólnokształcącego w Radomiu: Nikodem Smagowski, Maja Chudzińska, Iwo Dziubiński, Kuba Nowakowski i Kacper Spadło, pod opieką mentorki Joanny Siczek.
Badania prowadzone są w ramach międzynarodowego konkursu Climate Detectives organizowanego przez Europejską Agencję Kosmiczną oraz Europejskie Biuro Edukacji Kosmicznej ESERO.
Po zakończeniu analiz uczniowie zamierzają opracować mapy przedstawiające zmiany powierzchni tuneli foliowych oraz rekomendacje dotyczące ochrony żyzności gleby i racjonalnego gospodarowania wodą.
Ich celem jest nie tylko wykorzystanie technologii kosmicznych w szkolnym projekcie, lecz przede wszystkim znalezienie rozwiązań, które mogą pomóc rolnikom dłużej prowadzić wydajne uprawy na tych samych stanowiskach, ograniczając ryzyko strat i wpływ produkcji na środowisko.
(IILOR)
