Deteksi Kadar Nitrogen dengan Sensor Pencitraan Akurasi Tinggi

Pupuk merupakan sebagai salah satu sumber zat hara buatan yang diperlukan untuk mengatasi kekurangan nutrisi terutama unsur-unsur nitrogen (N), fosfor (P), dan kalium (K). Unsur-unsur lain pupuk adalah sulfur, kalsium, magnesium, besi, tembaga, seng, dan boron.
Nitrogen (N) merupakan salah satu unsur hara utama dalam tanah yang sangat berperan dalam merangsang pertumbuhan dan memberi warna hijau pada daun. Kekurangan nitrogen menyebabkan pertumbuhan tanaman terganggu karena terganggunya pembentukan klorofil yang berperan dalam proses fotosintesis.
Penggunaan pupuk nitrogen sintetis mendorong pertanian mengalami Revolusi Hijau. Bersama dengan unsur N, dan P, pupuk ini mampu meningkatkan hasil panen dan pada tataran luas dapat menciptakan ketahanan pangan.
Meskipun telah terjadi efisiensi penggunaan nitrogen, namun masih ada kekhawatiran penggunaan yang berlebihan. Pasalnya penggunaan berlebihan bisa berdampak buruk pada tanaman dan lingkungan. Kelebihan nitrogen terbuang di saluran air, tanah, dan di atmosfer dalam bentuk gas rumah kaca yang kuat.
Memprediksi penggunaan nitrogen pada tanaman pada waktu tertentu tergolong rumit. Langkah pertama adalah memahami status nitrogen tanaman secara real time melalui aplikasi. Namun mengukur nitrogen dengan pada lahan yang luas sepanjang musim tidak realistis.
Untuk mengukur kadar nitrogen pada lahan pertanian dengan cepat dan akurat tim peneliti University of Illinois melakukan pemetaan dengan menempatkan sensor pencitraan hiperspektral yang dipasang pada pesawat terbang kecil. Pencitraan ini mengumpulkan dan memproses informasi dari seluruh spektrum elektromagnetik yang ada.
Tujuannya pencitraan hiperspektral untuk mendeteksi status nitrogen dan kapasitas fotosintesis pada tanaman jagung dengan cepat dan akurat. Pasalnya pengukuran kadar nitrogen langsung ke lapangan sangat memakan waktu dan tenaga.
"Penggunaan penginderaan hiperspektral dari pesawat memungkinkan kami untuk memindai lapangan dengan sangat cepat, dalam beberapa detik per hektar," kata asisten profesor peneliti di Pusat Keberlanjutan Agroekosistem (ASC) dan Departemen Sumber Daya Alam dan Ilmu Lingkungan (NRES) di University of Illinois sekaligus penulis utama studi ini, Sheng Wang, dikutip oleh Science Daily.
Pendekatan dengan sensor pencitraan hiperspektral yang dilakukan mengisi kesenjangan antara pengukuran lapangan yang menantang dan citra satelit yang kurang akurat. Terobosan ini menawarkan pendekatan yang hemat biaya dan sangat akurat untuk pengelolaan nitrogen tanaman dalam pertanian presisi berkelanjutan.
Pesawat, dilengkapi dengan sensor canggih yang mampu mendeteksi panjang gelombang dalam spektrum inframerah terlihat dan dekat antara 400-2400 nanometer. Pesawat terbang di atas bidang eksperimental di Illinois tiga kali selama musim tanam 2019.
Para peneliti juga melakukan pengukuran daun dan kanopi di lapangan sebagai data kebenaran dasar untuk dibandingkan dengan data sensor. Penerbangan mendeteksi karakteristik nitrogen daun dan tajuk, termasuk beberapa yang terkait dengan kapasitas fotosintesis dan hasil biji-bijian, dengan akurasi hingga 85 persen.
"Itu mendekati kualitas kebenaran dasar. Kami bahkan dapat mengandalkan sensor hiperspektral udara untuk menggantikan pengumpulan kebenaran di lapangan tanpa mengorbankan banyak akurasi. Sementara itu, sensor udara memungkinkan kami untuk mencakup area yang jauh lebih luas dengan biaya rendah," kata rekan penulis studi tersebut sekaligus Direktur ASC, dan profesor di NRES, Kaiyu Guan.

Pengembalian Maksimum Nitrogen
Penginderaan jauh mengambil energi yang dipantulkan dari permukaan di tanah. Komposisi kimia daun, termasuk kandungan nitrogen dan klorofilnya, secara halus mengubah seberapa banyak energi yang dipantulkan.
Sensor pencitraan hiperspektral mendeteksi perbedaan hanya 3 hingga 5 nanometer di seluruh jangkauannya, sensitivitas yang tak tertandingi oleh teknologi penginderaan jauh lainnya.
"Teknologi penginderaan jauh udara lainnya mengambil spektrum yang terlihat dan mungkin inframerah dekat, hanya empat pita spektral. Itu bahkan tidak mendekati apa yang dapat kita lakukan dengan sensor hiperspektral ini. Ini sangat kuat," kata Guan.
Para peneliti melihat kegunaan temuan mereka dalam kalkulator tingkat nitrogen jagung pengembalian maksimum (maximum return to nitrogen/MRTN). Pendekatan yang dilakukan dapat mendeteksi status nitrogen tanaman dan membuat beberapa penyesuaian waktu nyata untuk pemangku kepentingan pertanian.
Sistem MRTN memberikan tingkat pemupukan nitrogen yang direkomendasikan berdasarkan trade off ekonomi antara tingkat pupuk nitrogen tanah dan akhir masa pakai. Pendekatan penginderaan jauh yang dikembangkan dapat memasukkan status nutrisi tanaman ke dalam sistem itu, memungkinkan pengelolaan nitrogen tanaman waktu nyata.
Pendekatan ini berpotensi mengubah rekomendasi saat ini berdasarkan musim pra-tumbuh, pemupukan yang berpusat pada tanah ke diagnosis berdasarkan waktu nutrisi tanaman, meningkatkan efisiensi penggunaan nitrogen agroekosistem.
Yang penting, tim peneliti mengerjakan algoritma matematika terbaik untuk mendeteksi data reflektansi nitrogen dari sensor hiperspektral. Mereka berharap itu akan digunakan saat teknologi yang lebih baru hadir.
"NASA sedang merencanakan misi hiperspektral satelit baru, seperti juga perusahaan satelit komersial lainnya. Studi kami berpotensi menyediakan algoritma untuk misi tersebut karena kami telah menunjukkan keakuratannya dalam data hiperspektral pesawat," kata Wang.
Sementara Guan mengatakan membawa teknologi ini ke satelit adalah tujuan akhir, memungkinkan pandangan status nitrogen setiap bidang di awal musim tanam. Kemajuan ini akan memungkinkan petani untuk membuat keputusan yang lebih tepat tentang pembalut samping nitrogen.
Pada akhirnya, tentu saja, tujuannya adalah untuk meningkatkan kelestarian lingkungan dari pupuk nitrogen dalam sistem agronomi, dengan presisi tinggi.
"Pada dasarnya, Anda tidak dapat mengelola apa yang tidak dapat Anda ukur. Itulah mengapa kami berupaya keras dalam teknologi ini," ujar dia. hay/I-1