Module 1.1 Intro Geodata Wageningen University & Research, 2018

Leerdoelen en voorkennis Benodigde voorkennis: Je weet wat het lichtspectrum is en hoe gewassensoren lichtreflectie omzetten naar een vegetatie-index. Je weet welke sensoren er in de praktijk gebruikt worden en hoe deze werken. Je weet wat GNSS is en hoe plaatsbepaling tot stand komt. Leerdoelen: Je leert welke types geodata je kan tegenkomen bij het gebruik van precisielandbouw. Je weet met welke aspecten je rekening moet houden als je data wilt inlezen en analyseren in GIS-software en kan daarmee begrijpen hoe je problemen oplost.

Inhoud Wat is geodata? Precisielandbouw en geodata Begrippen Plaatsbepaling Coördinatenstelsels en notering Omzetten van stelsels (HBO) Nauwkeurigheid Types geodata Precisielandbouw en geodata Software voor analyse Analysemethodes

Wat is geodata? GIS: Geografische Informatie Systemen Geografisch: locatie gebonden. Precisielandbouw gaat om detecteren van ruimtelijke variatie (spatial) tussen percelen of binnen percelen en daarop reageren. Management van data gekoppeld aan gps-locatie Geo-informatie Bodem (structuur, textuur, nutriënten, hoogte) Risico’s (plassen, droogte, uitspoeling, afspoeling, etc.) Gewasmonitoring (biomassa, N-opname, opbrengsten) Onkruid, plagen en (bodem)ziekten Geodata heeft alles met GIS te maken. GIS staat voor geografische informatie systemen. Geografisch betekent locatie gebonden. Met andere woorden: het gaat over het opslaan en analyseren van ruimtelijke data. Binnen de precisielandbouw gaat het om detecteren van ruimtelijke variatie (in Engels: spatial variation or distribution) tussen of binnen percelen (intra or inter), analyseren en beslissen en vervolgens uitvoeren en evalueren. Hierbij is datamanagement van metingen gekoppeld aan een gps-locatie belangrijk. Denk hierbij aan metingen aan de bodem, risico’s, gewasmonitoring en onkruid, plagen en ziekten, welke je nu koppelt aan een locatie (perceel of plek binnen perceel).

Plaatsbepaling Plaatsbepaling is het vastleggen van de plaats op aarde waar je (of een machine of sensor) zich bevind en de wijze waarop deze plaats wordt aangeduid. Bij plaatsbepaling gaat het om je plek op aarde vast te leggen en te kwantificeren met behulp van coördinaten.

Begrippen plaatsbepaling Coördinaten stelsel Rijksdriehoekstelsel (x en y) WGS84 (Longitude en Latitude) ETRS89 (Breedtegraad en Lengtegraad) UTM (Longitude en Latitude) Notaties Graden minuten en seconden Amsterdam ligt op 52°22' 30" N en 4°54' 30" E. Decimale graden Amsterdam ligt op 52.375°N en 4.9083°E Metric (meters of kilometers) Een plaats op aarde kwantificeer je met behulp van coördinaten. Er worden in Nederland verschillende coördinatenstelsels gebruikt. In Nederland zijn de belangrijkste stelsels Rijksdriehoekstelsel (RD_new), WGS84, ETRS89 en UTM. Rijksdriehoekstelsel wordt door de overheid gebruikt. Denk hierbij aan open publieke data als bodemkaarten, luchtfoto’s, satellietbeelden uit het satellietdataportaal, etc. Alternatief is het Amersfoort stelsel. WGS84 wordt gebruikt op de meeste RTK-GPS systemen. ETRS89 is een alternatief voor WGS84. Voordeel van dit systeem is dat de nauwkeurigheid van plaatsbepaling niet veranderd in de tijd. Bij andere stelsel verschuift het nulpunt door de jaren enkele cm’s tot meters. Bij ETRS89 blijft deze gelijk. UTM wordt vooral gebruikt door bijv. John Deere systemen en drones. Daarnaast is de notatie van je coördinaat belangrijk.

Coördinatenstelsel en projecties Belangrijk om te onthouden is dat een coördinatenstelsel in geografische coördinaten stelsels (3D) alsook geprojecteerde coördinaten stelsels (2D) kunnen staan. Het linker plaatje is hier een voorbeeld van, waar verschillende stelsels staan. Een geprojecteerde coördinaten stelsel is eigenlijk een 2D weergave van een 3D ruimte. Stel je voor dat je een wereldbol wilt printen op een papieren platte kaart (rechterplaatje). Ieder stelsel heeft een eigen 0-punt. Helaas gebruiken verschillende machines, sensoren en partijen ook verschillende stelsels. Dit is niet alleen voor ons verwarrend, maar ook voor software. Wanneer je dus geodata wilt analyseren, dan moet de software weten in welke coördinatenstelsel de data zijn opgenomen. Er ontstaan problemen als je meerdere datasets met elkaar wil vergelijken, waarbij de datasets in verschillende coördinatenstelsels zijn opgenomen. Je moet dan eerst alle datasets omzetten naar dezelfde coördinatenstelsel. Dit gaat alleen goed als je de oorspronkelijke coördinatenstelsel goed gedefinieerd hebt.

Coördinatenstelsels (HBO) Geografische coördinatenstelsels: plaatsbepaling gebaseerd op sferische werkelijke wereld coördinaten (wereldbol) In decimale graden longitude (x- coördinaten) en latitude (y- coördinaten). Bijvoorbeeld Wageningen: In decimale graden: N 51.986466°, E 5.662869° In graden, minuten en seconden: N51°59‘11.6'',E 5°39’52.0'' DD = d + (min/60) + (sec/3600) WGS84, ETRS89 en UTM Projected coördinatenstelsels: plaatsbepaling op basis van een 2D vlakke oppervlakte (papieren kaart). Net als een grafiek met x- en y-as en een nulpunt. Rijksdriehoekstelsel Vaak eenheid in km, m, miles, yards, etc. Transformatie: omzetten van het coördinatenstelsel, zodat alle datasets in dezelfde coördinatenstelsel komen te staan. Geografische coördinatenstelsels zijn bijvoorbeeld WGS84, ETRS89 en UTM. Ze kunnen in verschillende notaties staan. Graden, minuten en seconden zijn eenvoudig om te rekenen naar decimale graden. Decimale graden = aantal graden + aantal minuten / 60 + aantal seconden / 3600. Projected coördinatenstelsels is bijvoorbeeld het Rijksdriehoekstelsel. De eenheid is vaak in km, m, etc, zodat je eenvoudig afstandsberekeningen kan maken. Het omzetten van datasets van het ene coördinatenstelsel naar het andere heet transformatie. In QGIS heb je de functies Warp en Reproject voor dit proces.

Geografisch coördinatenstelsel (HBO) Nog een plaatje van de wereld verdeeld in graden longitude (x-coördinaat) en graden latitude (y-coördinaat). http://www.isobudgets.com/how-to-calculate-local-gravity/

GPS Nauwkeurigheid RTK Fixed < 2 cm OmniSTAR HP < 10 cm DGPS 20 -100 cm Egnos 100 – 300 cm Nauwkeurigheid Er zijn twee verschillende nauwkeurigheidsniveaus bij gps: Precise Positioning Service (PPS) en Standard Positioning Service (SPS). Waar SPS alleen gebruik maakt van de C/A-code op het L1-signaal, maakt PPS ook gebruik van de P-code om een hogere nauwkeurigheid te verkrijgen. De nauwkeurigheid van SPS bedraagt ca 10 meter; Voor een hogere precisie kan een correctiesignaal van EGNOS (Europa) worden gebruikt. Belangrijk om te onthouden is dat je data met verschillende nauwkeurigheid kunt opnemen. Je kunt bijvoorbeeld Geotagged foto’s maken met je mobiel, deze hebben wel 2-3 m (on)nauwkeurigheid. Wil je op zone-niveau data vastleggen en analyseren, dan kun je prima met deze nauwkeurigheid werken. Wil je echter op plant- of bladniveau werken, dan zul je toch echt RTK moeten gebruiken. Bedenk echter ook dat RTK belooft 2 cm nauwkeurigheid te leveren, maar dit in de praktijk onnauwkeuriger kan uitvallen doordat: je bijvoorbeeld de GPS-paal niet helemaal recht hebt staan Je in de buurt van bomen staat en het signaal niet optimaal is Je in de buurt van gebouwen staat en het GPS signaal door de gebouwen weerkaatst Wolken en andere atmosferische storingen het signaal beïnvloed. ‘Ruw signaal’ 500 – 1500 cm

Types Geodata Vector Punt (gewassensoren, bodemsensors, opbrengstmetingen) Lijn (AB-lijnen) Vlak (perceelsgrenzen, zones, etc.) Er zijn 2 type geodata: Vector bestanden en Raster bestanden. Vector bestanden kunnen bestaan uit de volgende types: -Puntdata. De meeste sensoren slaan de data op als puntdata: bijv. Yara N sensor, OptRx, Bodemscans, opbrengstmetingen. -Lijndata. Bijvoorbeeld AB-lijnen. -Polygoondata. Bijvoorbeeld perceelsgrenzen, ingetekende zones, etc. https://docs.qgis.org

Vectordata Punt Lijn Vlak Point Polyline Polygon Veris bodemscan ruwe data AB-lijnen Veris kalkadvies Shape (.shp, .shx & .dbf) Excel (.csv) Note (.txt) Shape (.shp, .shx & .dbf) Voorbeelden van de verschillende type vector data. Het kalkadvies wordt vaak geleverd als taakkaart in shapefile format. De kaart bestaat eigenlijk uit heel veel ‘vierkante’ of ‘rechthoekige’ vakken, dit is het type vlak of polygon in het Engels. Puntdata kan in allerlei fileformats worden aangeleverd. Meest voorkomend zijn shapefile (bestaande uit .shp, .shx en .dbf files. Soms ook een .prj). Verder nog comma separated files (csv) en tab delimited files (txt). Lijn- en vlakdata wordt meestal geleverd als shapefiles.

Types Geodata (2) Raster Rasters zijn foto’s met pixels, waarbij elke pixel de locatie bekend is. Satellietbeelden en dronebeelden zijn rasters. Geïnterpoleerde kaarten (zonekaarten) zijn ook rasters Elke pixel/cell heeft een: coördinaat (hoek linksonder van pixel) waarde (reflectiepercentage, vegetatie-index, etc.) Bestandsformaat geoTIFF (.tiff) Het tweede type data is rasterdata. Zie het als een foto. Als je sterkt inzoomt op een foto dan zie je allemaal vierkantjes, genaamd pixels. Satellietbeelden en dronebeelden zijn rasters. https://docs.qgis.org

Raster Dronebeeld Dronebeeld ingezoomd Voorbeeld van een dronebeeld. De resolutie van dit beeld is 12.5 x 12.5 cm. Dit betekent dat elk vakje wat je in het ingezoomde beeld ziet in werkelijkheid 12.5x12.5 cm is. Satellietbeelden hebben een veel lagere resolutie. Triplesat (www.satellietdataportaal.nl) heeft bijvoorbeeld vakken van 80x80 cm. Sentinel maakt multispectral opnames met een resolutie van 10x10 m.

Raster (HBO) Rasterbanden: een rasterbestand bevat meerdere ‘kaartlagen’. Dit betekent dat elke pixel meerdere waarden bevat. Elke waarde staat voor een reflectiepercentage in een specifieke bandbreedte van het licht of een vegetatie-index. Een dronebeeld is opgenomen met een RGB, Multispectraal of Hyperspectraal camera. RGB = rood, groen, blauw. Het rasterbestand bevat 3 banden. Multispectraal = rood, groen, (blauw), red edge, near infrared. Het rasterbestand bevat 4-5 banden. Hyperspectraal = (dis)continu meting 400-1200nm. Het rasterbestand bevat >20 banden.

Precisielandbouw en geodata Bodemscans Penetrometer Biomassa beelden uit satellieten of drones Biomassa beelden uit gewassensoren Opbrengstmetingen Handige websites met open data

Veris-MSP3 Originele meting: IR/R EC 0-30 cm EC 0-90 cm pH (hoogte) Kalibratie op basis van 4-5 referentiemonsters De Veris bodemscan meet een aantal variabelen. De machine meet infrarood/rood reflectie op 7 cm diepte. Hoe meer organische stof, hoe lager de reflectie. Elektrische geleidbaarheid wordt gemeten met 4 schijven die in de grond lopen. Er loopt een spanning tussen de 2 middelste (0-30 cm) en 2 buitenste (0-90 cm) schijven. Afhankelijk van vocht, nutriënten, verdichting, organische stof of lutum wordt er meer of minder elektriciteit geleidt. Elke 10 meter wordt er met een schep grond uit de bouwvoor gehaald en tegen een pH-water sensor aangehouden. Per 2 metingen wordt er gemiddeld, zodat er per 20 meter een pH-meting opgeslagen wordt. Vervolgens worden er op het perceel 4-5 bodemmonsters genomen, geanalyseerd en gebruikt om de ruwe waarde te kalibreren.

Veris-MSP3 Wat krijgt de klant? Shapefiles met gekalibreerde puntwaarnemingen voor: pH (zuurgraad) ECOM (EC0-30, EC0-90, Organische) Alt (hoogte) Geobas.shp: op basis van zones locaties voor plaatsen bodemvochtsensoren. Efa.csv: locaties van de bodemmonsters Op aanvraag ook shapefiles voor lutum en CEC. WGS84 Belangrijk om te onthouden, de bestanden zijn opgeslagen in WGS84 stelsel.

Veris-MSP3 Bestandsnaam pH ECOM Getoonde variabele Zuurgraad Organische stof Resolutie Elke 20 m x 15 m Elke 3 m x 15 m Type vector Punt Bestandsformaat .shx, .shp, .dbf

EM38-MK2 Originele meting: Elektrische geleidbaarheid op (0.25) cm Ook deze sensor meet elektrische geleidbaarheid, echter in plaats van een spanningsboog maakt de sensor gebruik van magnetisme (spoelen). Hij meet op verschillende diepten. Standaard op 50 cm, 1 m, 1.5 m en 3.0 meter. Een andere sensor meet ook nog op 25 en 75 cm. De metingen worden geïnterpoleerd tot rasterkaarten.

EM38-MK2 Resultaten die de klant kan inzien als afbeelding. De puntmetingen zijn geïnterpoleerd als rasterkaarten. Per diepte een kaart. Vervolgens worden de waarden in 3 of 5 klassen ingedeeld. Op deze klassekaarten staan locaties voor monstername, om eventueel de kaarten om te zetten naar lutum of organische stofgehalte kaarten.

EM38-MK2 De klant krijgt: De kaarten als afbeelding (IMG_EC...m.tif) Csv bestand met puntmetingen (geïnterpoleerd) Shapefiles met vlakken van de klasse-indelingen. Shapefile met lijnen van een ‘stromingskaart’. WGS84 Rapport Metingen zijn puntmetingen (vector). Deze worden geïnterpoleerd naar een raster en vervolgens weer omgezet naar een puntmeting (vector). Deze laatste wordt aan de klant geleverd als csv-bestand. De rood omcirkelde bestanden zijn de geodata die je kan gebruiken voor analyse. De blauw omcirkelde bestanden zijn de afbeeldingen van de kaarten (geen geodata). Belangrijk: de gegevens staan in het WGS84 stelsel.

Penetrometer Meet verdichting in de ondergrond. Handmeting Puntmeting Met deze handmeter kun je verdichting meten in de ondergrond.

Penetrometer .csv bestand met puntmetingen: Metadata in de eerste 12 regels Gps locatie (graden, minuten) in het stelsel WGS84.  Handmatig omzetten naar decimale graden Per cm diepte (van 0 tot 80 cm) de weerstand in N (0-1000N) of MPa (0-10.0MPa). bij een cone van 1 cm2 >300N of >3.0MPa te verdicht voor beworteling. Met deze handmeter kun je verdichting meten in de ondergrond. Belangrijk bij de bestanden is dat je de coördinaten uit kolom B met de hand om moet zetten naar leesbare data. Stap 1): Kolom B opdelen naar 2 kolommen (latitude, longitude) Stap 2): De data omzetten van degree, minutes naar decimale graden.  N52 52.586 = 52+52.686/60 = 52.8781 Stap 3): Kopieer penetration data naar volgend tabblad en voeg kolomnamen toe. Stap 4): Sla op als csv. Stap 5): csv kun je nu inlezen in GIS-software.

Biomassabeelden Satellieten of drones Per pixel: Ruwe data is reflectiewaarde Meerdere banden Bijv. _refl_dsm (rood, groen, rededge, NIR, dsm) Vegetatie index (NDVI, WDVI) 1 band = berekening uit reflectiewaarden Bijv. _index_wdvi WGS84 / UTM zone 31N WGS84 / UTM zone 32N 3 voorbeeld bestanden, waarvan 2 een vegetatieindex (met 1 band) en 1 ruwe databestand met reflectiewaarden. DSM=Digital Surface Model = hoogtekaart. Het bestand refl_dsm, heeft 5 banden. Band 1 is de reflectiepercentage in groen, band 2 in rood, band 3 in red edge, band 4 in near infrared, band 5 is de hoogte volgens het digital surface model. Het bestand waarin ndvi of wdvi staat bevat maar 1 band. De pixelwaarde is de waarde voor de vegetatieindex, vaak een cijfer tussen 0 en 1. Dronebeelden worden vaak in 2 stelsels aanleverd, UTM zone 31N of 32N. Het merendeel van Nederland wordt in 31N geleverd (zie ook plaatje).

Biomassabeelden Gewassensoren Yara-N-sensor .logfile, Topcon, OptRx, Greenseeker, Fritzmeijer .csv file Puntdata WGS84 Bevat kolommen met Latitude en Longitude, een of meerdere vegetatie-indexen en soms ruwe reflectiewaarden. Yara-N-sensor levert de bestanden in .log files. Topcon is dezelfde sensor, maar levert deze in .csv files. Elke sensor levert andere info op.

Opbrengstmetingen Puntmetingen WGS84 Vaak machinespecifiek opgeslagen: Met software fabrikant of Farmworks inlezen. Overig .csv of als shapefile. Kolommen met latitude, longitude (coördinaten) Kolommen met Yield, Droge stof, vocht, Doorstroming, etc.  Opbrengst. Kolommen met machine-instellingen.

Open data Vaak in Rijksdriehoekstelsel https://www.satellietdataportaal.nl/ : satellietbeelden https://ahn.arcgisonline.nl/ahnviewer/ : hoogtekaarten https://www.pdok.nl/viewer/ : open data overheid https://boerenbunder.nl/ : snel info per perceel inzien https://www.dinoloket.nl/ : data over bodem en water https://www.topotijdreis.nl/ : historische kaarten ... Soms ook via een WMS url in te laden in QGIS.

Software voor analyse QGIS (open source): allerlei GIS-bewerkingen Trimble Farmworks (betaald): machinespecifieke data inladen, exporteren en taakkaarten maken AgLeader SMS (betaald): soortgelijk aan Farmworks R (open source): (geo)statistische analyses + bewerkingen ArcGIS (betaald): allerlei GIS-bewerkingen Akkerweb: toepassen apps voor taakkaarten

Analyse – voorbereiding (HBO) Raster  Vector Omdat vector bestanden (punt, lijn, vlak) andere type data is dan rasterbestanden, kun je niet zo berekeningen 1 op 1 doen. Er zijn o.a. twee mogelijkheden. Mogelijkheid 1 wordt hier kort weergegeven. Methode 1: Doel is om alle data om te zetten naar een voorgefineerd grid met hetzelfde stelsel. Zet eerst alle data om in hetzelfde coördinatenstelsel. Bijv. Rijksdriehoekstelsel. Definiëer vervolgens een raster met een bepaald grid (bijv. 10x10m) op basis van de perceelsgrenzen. Gebruik dit raster om bestaande rasters, zoals dronebeelden, om te zetten (grovere resolutie). Gebruik ditzelfde raster om shapefiles (puntmetingen) te interpoleren. Clip en mask alle data op de perceelsgrenzen zodat data buiten de perceelsgrenzen niet meegenomen wordt. Je hebt nu rasterbestanden dieje over elkaar heen kan leggen voor analyse.

Analyse – methoden (HBO) Visueel Boxplot Histogram Regressie-analyse Local Pearson correlation Pairwise correlation Omdat vector bestanden (punt, lijn, vlak) andere type data is dan rasterbestanden, kun je niet zo berekeningen 1 op 1 doen. Er zijn o.a. twee mogelijkheden. Mogelijkheid 1 wordt hier kort weergegeven. Methode 2:

Analyse – voorbereiding (HBO) Raster  Vector Methode 2 nog uit te werken Omdat vector bestanden (punt, lijn, vlak) andere type data is dan rasterbestanden, kun je niet zo berekeningen 1 op 1 doen. Er zijn o.a. twee mogelijkheden. Mogelijkheid 1 wordt hier kort weergegeven. Methode 2:

Tips bij geo-data: Datasets in dezelfde coördinatenstelsel! Transform / reproject data indien nodig. Bijv. Naar rijksdriehoekstelsel. Stel projectomgeving in QGIS/ArcGIS in op dezelfde coördinatenstelsel. Voor juiste visualizatie en afstanden meten. Opsomming coördinatenstelsels: EPSG 4326: WGS 84 (Geografisch) EPSG 32631: WGS 84 / UTM zone 31N (Projected) EPSG 32632: WGS 84 / UTM zone 32N (Projected) EPSG 28992: Rijksdriehoekstel (Projected)

Dank voor uw aandacht! Akkerweb Precisielandbouw thomas.been@wur.nl Tel. (+31) 317 480644 www.akkerweb.eu Precisielandbouw johan.booij@wur.nl Tel. (+31) 320 291218 www.precisielandbouw.eu