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MAPPATURA DEL VIGORE DELLE PIANTE

L'Agricoltura di Precisione

 

L'agricoltura di precisione è una strategia gestionale dell'agricoltura che si avvale di moderne strumentazioni ed è mirata all'esecuzione di interventi agronomici tenendo conto delle effettive esigenze colturali e delle caratteristiche biochimiche e fisiche del suolo.

Lo scopo dell’agricoltura di precisione consta nell’ottimizzare la gestione del campo con riguardo ai seguenti aspetti:

  • Agronomici: aumentando la corrispondenza tra pratiche agricole e necessità delle colture (es. uso dei fertilizzanti)
  • Protezione dell’ambiente e sostenibilità: riducendo i rischi ambientali e l’impronta ambientale dell’agricoltura ( es. limitando il dilavamento di azoto)
  • Economici: accelerando la competitività grazie a pratiche più efficienti (es. la gestione migliorata di fertilizzanti e altri prodotti).

 

L’agricoltura di precisione fornisce agli agricoltori una vasta serie di informazioni per:

  • costituire un archivio storico della propria azienda;
  • migliorare il processo decisionale
  • promuovere una maggior tracciabilità
  • migliorare la commercializzazione dei prodotti agricoli
  • migliorare gli accordi di locazione e le relazioni con i proprietari terrieri
  • migliorare la qualità intrinseca dei prodotti (es. livelli di proteine nella farina di frumento Tipo-0)

 

Un elemento chiave nell’agricoltura di precisione e nella gestione moderna delle foreste è costituito dalla carta (mappa) del vigore (es. l’indice NDVI) delle piante che fornisce una misura quantitativa della salute delle piante. Il Laboratorio Rocce e Ricerca Tonon fornisce ad agronomi e forestali carte del vigore affidabili ed accurate attraverso l’acquisizione aerea di dati multispettrali tramite l’uso dei SAPR (Sistemi Aeromobili a Pilotaggio Remoto, anche detti “droni”).

La luce solare viene assimilata dalle piante attraverso il processo di fotosintesi e la luce riflessa dalle piante porta con se’ una chiara indicazione della salute della pianta. Come indicato nella figura a sinistra, l’analisi spettrale della luce riflessa da una pianta sana presenta dei picchi non solo in corrispondenza della lunghezza d’onda del verde (550 nm), ma anche del Red Edge (725 nm) e del NIR (quasi-infrarosso, 800 nm).

 

Il passo fondamentale intrapreso dal Laboratorio Rocce e Ricerca Tonon (LRRT) consta nel rendere i dati multispettrali fruibili dal committente attraverso un applicativo cloud che permette di:

  • identificare le aree di intervento;
  • creare compiti da assegnare al personale il quale può recarsi esattamente sull’area di interesse e relazionare al riguardo;
  • tenere traccia degli interventi eseguiti e monitorare la risposta agli interventi eseguiti
  • integrare ulteriori layers sui dati pedologici e sui dati rilevati da sensori a terra (umidità del terreno, temperatura, umidità, condizioni e previsioni meteo, ecc.),

 

come descritto nella documentazione allegata:

 

Questa pagina è divisa nei seguenti paragrafi:

  1. Acquisizione aerea dei dati multispettrali
  2. Analisi dei dati multispettrali
  3. Come possono essere usate le carte (mappe) dei vigore (es. NDVI)?

 

 

ACQUISIZIONE AEREA DEI DATI MULTISPETTRALI

 

Il Laboratorio Rocce e Ricerca Tonon (LRRT) acquisisce 4 bande della luce riflessa delle piante: Verde (Green 550 nm), rosso (Red 660 nm), Red Edge (Red Edge 725 nm) e quasi-infrarosso (NIR 800 nm). Contemporaneamente, acquisiamo la luce solare che irradia le piante nello stesso preciso istante in cui acquisiamo i dati multispettrali: questo equivale, nella fotografia tradizionale, a correggere l’intensità della luce aprendo o chiudendo l’apertura dell’obiettivo. Se non usassimo quest’accortezza, le fotografie verrebbero sovraesposte oppure sottoesposte; similmente, se non tenessimo conto in tempo reale della luce ricevuta dalle piante, le carte del vigore indicherebbero valori troppo alti oppure troppo bassi dell’indice del vigore.

 

 

 

Il secondo aspetto molto importante riguarda l’accuratezza del sensore multispettrale. La figura sopra pone a confronto le bande acquisite tramite un sensore multispettrale accurato come quello usato da LRRT e le bande acquisite da una normale macchina fotografica modificata per catturare anche dati multispettrali. E’ una condizione simile ad una radio di scarsa qualità che non si riesce a sintonizzare accuratamente su una determinata frequenza e di conseguenza il suono viene corrotto da rumore e da altri segnali estranei. Di conseguenza, non si riesce a capire che cosa la radio stia dicendo; similmente, la carta del vigore sarà inaffidabile perché è impossibile distinguere gli spettri delle piante che sono stati acquisiti.

 

 

GREEN

RED

NIR

RED EDGE

Il terzo aspetto importante è la calibrazione di ciascun sensore che LRRT effettua prima di ogni volo usando uno speciale pannello standard raffigurato qui sopra. Questo equivale al bilanciamento del bianco nella fotografia tradizionale.

 

 

Sistema Acquisizione immagini Mappe Vigore Piante

Ogni qualvolta azioniamo il nostro sensore multispettrale, acquisiamo 4 spettri su ciascun pixel sulla pianta. La dimensione tipica del pixel sulla pianta è pari a circa 8 x 8 cm, ossia è simile alla dimensione di un pampino.

 

Per quanto riguarda la copertura e la velocità di acquisizione dati, copriamo circa 80 ettari con un volo di 30 minuti.

 

 

La tabella qui a fianco fornisce dati simili per i dati multispettrali raccolti dai satelliti per usi agricoli o forestali. I dati importanti sono:

  • La frequenza (frequency) e il tempo di restituzione (latency) dei dati
  • La risoluzione spaziale

 

 

I satelliti con passaggi e restituzione dei dati giornalieri hanno una risoluzione spaziale di 1 km che non è abbastanza spinta per le applicazioni forestali oppure dell’agricoltura di precisione. D’altro canto, satelliti con risoluzioni più spinte come il Landsat 7 raggiungono solamente 30 m di risoluzione che comunque non è sufficiente per l’agricoltura di precisione e ancor meno quando il terreno è inclinato come nel caso di vigneti, frutteti o boschi addossati al fianco di una collina in cui le chiome sono vicine le une alle altre quando viste da una posizione azimutale. Questi satelliti a risoluzione più spinta ritornano sopra una certa zona con una frequenza di circa 2 settimane; se tuttavia in quel momento il tempo è nuvoloso, il satellite non acquisirà alcun dato perché il segnale riflesso dalle piante non potrà raggiungere il satellite stesso. Questa è una notevole limitazione per le applicazioni all’agricoltura in cui il tempismo dei dati è fondamentale; si pensi ad esempio alla decisione sul momento di fertilizzare, irrigare oppure mietere, vendemmiare o raccogliere la frutta.

 

 

 

ANALISI DEI DATI MULTISPETTRALI

 

GREEN

RED

NIR

RED EDGE

Queste sono 4 immagini catturate simultaneamente dal nostro sensore multispettrale che ha 4 occhi (uno per ciascuna banda). Sul terreno, ciascuna immagine copre un’area di circa 140 x 110 m. Sebbene ciascuna immagine sembri una fotografia in bianco e nero, la scala di grigi indica la riflettanza su quella banda a cui si riferisce l’immagine, per cui il colore bianco indica massima riflettanza e il colore nero indica assenza di riflettanza. Si noti che i vigneti e gli alberi esposti al sole sono molto riflettenti sui canali del Red Edge e del NIR ma non danno riflettanza sul canale del rosso.

 

Per ciascun canale, acquisiamo le immagini in modo tale da poter realizzare un’ortofoto georeferenziata per tutta l’area di interesse. Quindi generiamo 4 ortofoto sui canali multispettrali e 1 ortofoto sul visibile. A questo punto, l’agronomo o il forestale ci specifica quale indice del vigore usare: un indice del vigore non è altro che una funzione dei 4 canali acquisiti. Per esempio, l’indice più comune è l’NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) che fu proposto nel 1973 dagli studiosi Rouse, Haas, Schell and Deering:

 

 

NDVI=  (NIR-GREEN)/(NIR+GREEN)

 

 

NDVI = 1 indica una pianta completamente sana, mentre NDVI= 0 indica una complete mancanza di clorofilla. L’intervallo tipico della vegetazione va da 0.2 a 0.8. Per ogni pixel delle ortofoto, LRRT calcola l’indice di vigore desiderato e produce una carta che rappresenta le linee di livello dell’indice: la carta (mappa) del vigore!

LRRT è in grado di produrre carte del vigore per qualisasi funzione dei 4 canali acquisiti dal nostro sensore: Green (550 nm), Red (660 nm), Red Edge (725 nm), and NIR (800 nm). Una significativa lista degli indici di vigore può essere consultata QUI.

 

(a)

(b)

L’immagine (a) qui sopra è un’ortofoto nel campo del visibile (RGB), mentre l’immagine (b) è la corrispondente carta del vigore dell’indice NDVI. Si noti come l’indice NDVI vari notevolmente lungo ciascun filare e trasversalmente tra i filari: questa variabilità a piccola scala fa capire come non siano per nulla applicabili i dati satellitari che, al meglio, hanno una risoluzione di 30 m.

 

Mappa NDVI

Un tipico dettaglio di una carta dell’indice NDVI che fa apprezzare la risoluzione dei risultati forniti da LRRT. Anche a questa scala sono evidenti le variazioni del vigore sia lungo ciascun filare che in senso trasversale tra i vari filari.

 

A

B

Sposta il mouse sopra l’immagine sopra per passare dalla carta del vigore (NDVI) all’ortofoto nel campo del visibile (RGB); le immagini rappresentano un’area di 60 m di larghezza per 33 m di altezza. Si noti l’estremo livello del dettaglio e la perfetta sovrapposizione tra la carta del vigore e l’ortofoto. Si noti anche come piante a basso vigore possano corrispondere a piante dall’estensione fogliare molto ridotta, come nel punto “A” qui sopra, mentre nella zona “B” le piante sembrano simili tra di loro lungo il filare, ma l’NDVI varia significativamente lungo il filare. Nell’agricoltura di precisione è fondamentale che le carte del vigore e le ortofoto siano correttamente georeferenziate, altrimenti ne possono derivare degli usi errati e/o anche controproducenti specialmente nelle applicazione alle piante da frutto, inclusi i vigneti, dove il vigore delle piante può variare (come nell’esempio qui sopra) in maniera molto significativa entro 1 m sia lungo un filare che tra i filari. Una  georeferenziazione inaccurata significa che un trattamento può venire applicato al filare sbagliato, che un fitofarmaco viene applicato alla pianta sana mentre la pianta malata viene saltata, o che una pianta malata che deve essere eliminata non viene individuata e quindi la fitoplasmosi si propaga a tutto il campo. A questo livello di dettaglio fornito dal Laboratorio Rocce e Ricerca Tonon, si possono riconoscere quali piante sono state affette da fitoplasmosi quali:

 

Queste considerazioni ci portano direttamente al prossimo argomento, ossia l’uso delle mappe del vigore.

COME POSSONO ESSERE USATE LE CARTE (MAPPE) DEL VIGORE (es. NVDI)?

 

Le immagini qui sopra illustrano come si manifestino sul campo due situazioni con NDVI differente: a sinistra una zona con NDVI = 0,3 e a destra una zona con NDVI = 0,7.

 

Queste Quattro immagini si riferiscono a quattro situazioni presenti sullo stesso campo: è evidente come l’NDVI sia direttamente correlato con la produttività del campo stesso.

 

Nel seguito vengono quindi illustrati i principali usi delle carte del vigore, incluse le mappe dell’NDVI:

  1. Se un vigneto deve essere re-impiantato, la carta del vigore del vigneto attuale è un utilissimo complemento alla campionatura geologica e pedologica per ottimizzare la scelta e la distribuzione dei portinnesti.
  2. Le fitoplasmosi possono essere identificate subito quando non hanno ancora invaso l’intero campo o bosco ed è ancora possibile intervenire ad una scala molto ridotta e limitata. Come detto sopra, è necessario operare su carte del vigore e ortofoto estremamente dettagliate come quelle fornite dal Laboratorio Rocce e Ricerca Tonon.
  3. Sulla base di una carta del vigore, gli agronomi possono preparare carte di prescrizione per:
    1. l’irrigazione differenziata;
    2. la sfogliatura differenziata;
    3. l’applicazione differenziata di fitofarmaci;
    4. La fertilizzazione differenziata.

 

Il valore di NDVI cambia in base al vigore delle piante

Queste carte di prescrizione possono venire:

  • Semplicemente caricate su un tablet con sensore GNSS. L’operatore segue la posizione del proprio mezzo sul tablet e applica il trattamento nella dose consigliata in quel punto.
  • Caricate su un mezzo a distribuzione variabile, come la concimatrice qui sotto, che automaticamente applica il trattamento desiderato nel punto richiesto.

 

Con l'uso delle mappe di vigore delle piante la fase di raccolta è più rapida

4. Il campionamento può essere ottimizzato perchè viene indirizzato alle zone più significative e perchè la validità dei risultati di ciascun campionamento viene circoscritta nello spazio alle zone contigue aventi  lo stesso indice di vigore.

5. La raccolta può essere ottimizzata sulla base del vigore delle piante: la frutta (incluse le uve) vengono dirette a linee produttive diverse sulla base dell’indice del vigore delle piante (per esempio, uve provenienti da zone a diverso vigore vengono vinificate in maniera diversa). Ne consegue un drammatico miglioramento del valore della produzione.

Si può procedere in due modi diversi:

  1. Raccogliere separatamente lo stesso giorno e poi indirizzare la frutta a linee produttive diverse (in particolare, indirizzare uva di vigoria diversa a vinificazioni diverse);
  2. Raccogliere per ultime le aree a più alto vigore per permettere il raggiungimento di una maturazione adeguata (es. una maturazione anche fenolica per le uve).

Queste sono delle schermate di un dispositivo di vendemmia intelligente: a sinistra si procede alla vendemmia perchè il mezzo si trova in un’area a basso vigore, mentre a destra non si procede alla vendemmia perchè il mezzo  si trova in un’area ad alto vigore.

 

 

Software di programmazione della vendemmia in base all'indice di vigore Software di programmazione della vendemmia in base all'indice di vigore

L'irrigazione differenziata è un' importantissima applicazione delle tecniche di agricoltura di precisione legate all'utilizzo dei droni perchè la scarsità e il costo dell'acqua e la coscienza ambientale che ne accompagna l'utilizzo per scopi irrigui hanno portato alla ricerca di soluzioni che permettano di gestire la risorsa acqua in modo più economico ed eco-sostenibile.

 

Le mappe di vigore delle piante e degli indici di evapotraspirazione elaborate da LRRT consentono di programmare un piano di irrigazione mirato all'effettivo fabbisogno di acqua delle piante e dei tappeti erbosi, riducendo in maniera drastica gli sprechi e migliorando la qualità complessiva delle colture.

 

In materia di politiche agricole, l'Unione Europea si muove sulla stessa linea: la Comunicazione della Commissione Europea COM(2011) 571 si focalizza sugli obiettivi di sfruttamento sostenibile delle risorse ed in particolare sull'adozione di ''soluzioni verdi'' ed innovazioni tecnologiche (Partenariato per l’innovazione in materia di efficienza delle acque) per ottimizzare l'uso delle risorse idriche. Entro il 2020, la Commissione si prefigge di estrarre dal sottosuolo non più del 20% delle risorse idriche disponibili; entro tale data si deve arrivare ad un sistema efficiente di sfruttamento delle risorse idriche, sia per sviluppare una coscienza ambientale sia per mantenersi in linea con gli standard europei. A tal proposito, segnaliamo l'interessante articolo della Geologa Maria Luisa Felici, pubblicato su Geologia dell'Ambiente 1/2018 sullo stato attuale dell'irrigazione in Italia.

 

Via Nazionale 206  38123 Trento, Italy

 

Tel: +39-0461-942345

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Mappa NDVI
Il valore di NDVI cambia in base al vigore delle piante
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