Σχεδιασμός και ανάπτυξη συστήματος υπηρεσιών θέσης για τη διαχείριση εντομολογικών κινδύνων σε γεωργικές καλλιέργειες και αστικό πράσινο

Abstract

Nowadays, various sectors of agriculture and urban landscaping face the conflicting challenge of increasing the production of high-quality food and maintenance of green space respectively, combined with the simultaneous reduction of the agri-environmental footprint. One of the greatest obstacles to overcoming this challenge is the entomological risks with strong spatiotemporal characteristics. Their management and treatment are related to public health and food safety and the effectiveness of the treatments depends on local climatic conditions and the collaboration of remote participants. In such cases, and under Precision Agriculture (PA) and Integrated Pest Management (IPM), the location awareness is the key to the success of the management and treatment of the entomological risk. In order to achieve location awareness of a mobile user, Location Based Services (LBS) are utilized; nowadays, these services have been rapidly and widely developed and used in commercial and social networking applications. LBS in collaboration with other Information and Communication Technologies (ICT) constitute Location Aware Systems (LAS), which can play a decisive role in managing and treating entomological risks.In this thesis, the design, development, implementation and evaluation of an agri-environmental LAS for managing and treating agricultural and urban landscaping entomological risks with strong spatiotemporal characteristics is presented. The objectives of the proposed LAS is to simplify procedures, reduce costs and increase efficacy during the management of entomological problems, the protection of the natural environment, the public health, inhabited and protected areas during the treatments. To achieve these objectives, the LAS uses appropriate LBS that integrate ICT, such as positioning, mobile devices, Geographic Information Systems (GIS), Expert Systems (ES), Decision Support Systems (DSS), Wireless Sensor Networks (WSN), the Internet, wireless communications and multimedia. These technologies are adapted to the requirements of PA and adopt the basic principles of IPM. During the design phase of the LAS, the existing classification of the LBS was improved and adapted regarding to their functionality, introducing new categories and expanding the layers of the already existing categories. For the easy development and use of the LBS, the LAS follows the architecture of the middleware software, whereas for the tracking of mobile targets adopts the network-centric and device-centric approaches. The implementation of the LAS, incorporate systems that operate on server or in mobile device or in the cloud, and communicate using Web services. The implemented LAS was tested experimentally in the management and treatment of two major entomological problems; one of the problems addressed concerns the agriculture area and it is the olive fruit fly (Bactrocera oleae) of the cultivated olive species (Olea europea), and the other concerns the urban green and it is the red palm weevil (Rhynchophorus ferrugineus, RPW). In the case of the olive fruit fly, for the control of the insect, bait sprays from the ground where applied, considering the infestation risk in accordance to the spatial distribution of the insects’ population. In the case of the red palm weevil, the infestation risk assessment was based mainly on the macroscopic symptoms of the infested palms. To evaluate the agri-environmental LAS in each of these two entomological problems, suitable experiments were designed in order to show its potential compared to conventional approaches.The experimental results in the case of the olive fruit fly, showed that using the LAS during bait sprays from the ground an average of 4.85% decrease of the spraying solution was accomplished, the duration of the spraying process was decreased by 17.34%, resulting to an increase of the efficacy of the sprayings by 5.73% compared to the conventional approach. The LAS compared to the conventional management resulted to the avoidance of off-target spraying and spraying in the same area more than once. These elements are important both to the protection of the environment and the public health, thus reducing the cost of treatments.The experimental results corresponding the RPW, showed that the LAS is more reliable and more effective in estimating the RPW infestation risk by 7%, that it decreased the number of palm trees required to be inspected by 33.1% and reduced the inspections duration by 18.9%, compared to the conventional method. Reducing the inspected number of palm trees and the inspections duration resulted to the reduction of the inspections costs. From the questionnaire answers on the RPW infestation risk, it seems that the LAS covered better the range of symptoms, gave quantitative characteristics of the symptoms and performed better to accurately assess the risk of the infestation. The management of the RPW utilizing the LAS, prevented infestations and reduced the losses of palm trees due to the RPW by 73.7% and 72.3% respectively.Generally, by using the proposed LAS, the objectives set were achieved and therefore it can provide an integrated and effective management and plant protection environment.

Στις μέρες μας, τομείς της γεωργίας και του αστικού πρασίνου αντιμετωπίζουν την αντικρουόμενη πρόκληση της αύξησης της παραγωγής των τροφίμων υψηλής ποιότητας και της συντήρησης του πρασίνου, σε συνδυασμό με την ταυτόχρονη μείωση του αγρο-περιβαλλοντικού αποτυπώματος. Μια από τις μεγαλύτερες δυσκολίες στην αντιμετώπιση της πρόκλησης αυτής, είναι οι εντομολογικοί κίνδυνοι με έντονα χωροχρονικά χαρακτηριστικά των οποίων η διαχείριση και αντιμετώπιση σχετίζονται με τη δημόσια υγεία, την ασφάλεια τροφίμων, καθώς και την αποτελεσματικότητα των επεμβάσεων αντιμετώπισης, δεδομένου ότι αυτή εξαρτάται από τις τοπικές κλιματικές συνθήκες και τη συνεργασία των συμμετεχόντων. Στις περιπτώσεις αυτές η ενημερότητα σχετικά με τη θέση αποτελεί το κλειδί στην επιτυχία της διαχείρισης και αντιμετώπισης του εντομολογικού κινδύνου, στο πλαίσιο της Γεωργίας Ακριβείας (ΓΑ) και της Ολοκληρωμένης Διαχείρισης Επιβλαβών Οργανισμών (ΟΔΕΟ). Για την ενημερότητα της θέσης ενός κινητού στόχου χρησιμοποιούνται οι Υπηρεσίες Θέσης (ΥΘ), οι οποίες τα τελευταία χρόνια έχουν ραγδαία ανάπτυξη και χρήση, τόσο σε εμπορικές εφαρμογές, όσο και σε εφαρμογές κοινωνικής δικτύωσης. Οι ΥΘ σε συνεργασία με άλλες Τεχνολογίες Επικοινωνιών και Πληροφορικής (ΤΠΕ), διαμορφώνουν Συστήματα Υπηρεσιών Θέσης (ΣΥΘ), τα οποία μπορούν να συμβάλλουν καθοριστικά στη διαχείριση και την αντιμετώπιση εντομολογικών κινδύνων.Στην παρούσα διατριβή παρουσιάζεται η σχεδίαση, η ανάπτυξη, η υλοποίηση και η αξιολόγηση ενός αγροπεριβαλλοντικού ΣΥΘ για τη διαχείριση και αντιμετώπιση στη γεωργία και στο αστικό πράσινο, εντομολογικών κινδύνων με έντονα χωροχρονικά χαρακτηριστικά. Στόχοι του προτεινόμενου ΣΥΘ είναι η απλοποίηση των διαδικασιών, η μείωση του κόστους και η αύξηση της αποτελεσματικότητας κατά τη διαχείριση των εντομολογικών προβλημάτων, καθώς και η προστασία του φυσικού περιβάλλοντος, της δημόσιας υγείας, των κατοικημένων και των προστατευμένων περιοχών κατά την εφαρμογή των επεμβάσεων αντιμετώπισης. Για την επίτευξη των στόχων, το ΣΥΘ χρησιμοποιεί κατάλληλες ΥΘ που ενσωματώνουν ΤΠΕ, όπως είναι οι τεχνολογίες εντοπισμού θέσης, οι κινητές συσκευές, τα Γεωγραφικά Πληροφοριακά Συστήματα (ΓΠΣ), τα Έμπειρα Συστήματα (ΕΣ), τα Συστήματα Λήψης Αποφάσεων (ΣΛΑ), τα Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων (ΑΔΑ), το Διαδίκτυο, οι ασύρματες επικοινωνίες και τα πολυμέσα, οι οποίες είναι προσαρμοσμένες στις απαιτήσεις της ΓΑ και υιοθετούν τις βασικές αρχές της ΟΔΕΟ. Κατά τη φάση του σχεδιασμού του ΣΥΘ, βελτιώθηκε και προσαρμόστηκε η υπάρχουσα κατηγοριοποίηση των ΥΘ σε σχέση με τη λειτουργικότητά τους, εισάγοντας νέες κατηγορίες και επεκτείνοντας τα επίπεδα των υπαρχόντων κατηγοριών. Για την εύκολη ανάπτυξη και χρήση των ΥΘ το ΣΥΘ ακολουθεί την αρχιτεκτονική του ενδιάμεσου λογισμικού, ενώ όσον αφορά στον εντοπισμό της θέσης των κινητών στόχων, υιοθετεί τη δικτυο-κεντρική και συσκευο-κεντρική προσέγγιση. Η υλοποίηση του ΣΥΘ περιλαμβάνει συστήματα τα οποία λειτουργούν στον εξυπηρέτη ή στην κινητή συσκευή ή στο νέφος και επικοινωνούν με τη βοήθεια υπηρεσιών Ιστού. Το υλοποιημένο ΣΥΘ δοκιμάστηκε πειραματικά, στη διαχείριση και την αντιμετώπιση δύο σημαντικών εντομολογικών προβλημάτων, εκ των οποίων το ένα αφορά στη γεωργία και είναι ο δάκος (Bactrocera oleae) της καλλιεργούμενης ελιάς (Olea europea), και το άλλο αφορά στο αστικό πράσινο και είναι το κόκκινο σκαθάρι των φοινικοειδών (Rhynchophorus ferrugineus, ΚΣΦ). Στην περίπτωση του δάκου η αντιμετώπιση πραγματοποιήθηκε με δολωματικούς ψεκασμούς από το έδαφος, λαμβάνοντας υπόψη την επικινδυνότητα προσβολής σύμφωνα με τη χωρική κατανομή του πληθυσμού των εντόμων. Στην περίπτωση του ΚΣΦ, η εύρεση της επικινδυνότητας προσβολής βασίστηκε κυρίως στα μακροσκοπικά συμπτώματα των προσβεβλημένων φοινίκων. Για την αξιολόγηση του αγροπεριβαλλοντικού ΣΥΘ, σε καθένα από τα δύο αυτά εντομολογικά προβλήματα, σχεδιάστηκαν και υλοποιήθηκαν κατάλληλα πειράματα, με σκοπό να αναδειχτούν οι δυνατότητές του σε σχέση με τις συμβατικές προσεγγίσεις.Τα πειραματικά αποτελέσματα όσον αφορά στο δάκο της ελιάς, έδειξαν ότι με τη χρήση του ΣΥΘ κατά τους δολωματικούς ψεκασμούς από το έδαφος, μειώθηκε το χρησιμοποιούμενο ψεκαστικό διάλυμα κατά μέσο όρο 4,85% και η διάρκεια των ψεκασμών κατά 17,34% και υπήρξε αύξηση της αποτελεσματικότητας των ψεκασμών κατά 5,73%, σε σχέση με τη συμβατική προσέγγιση. Το ΣΥΘ σε σχέση με τον συμβατικό τρόπο διαχείρισης είχε ως αποτέλεσμα την αποφυγή ψεκασμών εκτός στόχου και ψεκασμών στην ίδια περιοχή πάνω από μία φορά, στοιχεία που είναι σημαντικά τόσο για την προστασία του περιβάλλοντος και της δημόσιας υγείας, όσο και της μείωσης του κόστους των επεμβάσεων. Τα πειραματικά αποτελέσματα όσον αφορά στο ΚΣΦ, έδειξαν ότι το ΣΥΘ είναι πιο αξιόπιστο και πιο αποτελεσματικό ως προς την εκτίμηση της επικινδυνότητας προσβολής κατά 7%, μειώθηκε ο αριθμός των φοινίκων που απαιτείται να επισκοπηθούν κατά 33,1% και μειώθηκε η διάρκεια των επισκοπήσεων κατά 18,9% σε σχέση με τη συμβατική μέθοδο. Η μείωση του αριθμού των φοινίκων που επισκοπούνται και της διάρκειας των επισκοπήσεων έχουν ως αποτέλεσμα τη μείωση του κόστους των επισκοπήσεων. Από τις απαντήσεις ερωτηματολογίου σχετικά με την επικινδυνότητα προσβολής από το ΚΣΦ φαίνεται ότι το ΣΥΘ καλύπτει καλύτερα το φάσμα των συμπτωμάτων, δίνοντας ποσοτικά χαρακτηριστικά και ανταποκρίνεται καλύτερα στην ακριβή εκτίμηση της επικινδυνότητας προσβολής. Η διαχείριση του ΚΣΦ με τη χρήση του ΣΥΘ είχε ως αποτέλεσμα να αποτραπούν οι προσβολές και να μειωθούν οι απώλειες φοινίκων λόγω του ΚΣΦ κατά 73,7% και 72,3% αντίστοιχα.Γενικότερα, με τη χρήση του προτεινόμενου ΣΥΘ επιτεύχθηκαν οι στόχοι που τέθηκαν και επομένως, αυτό μπορεί να προσφέρει ένα ολοκληρωμένο και αποτελεσματικό περιβάλλον διαχείρισης και φυτοπροστασίας.