15 16 maggio 2012 sfoglia numero

Innovazione

Strumenti informativi per la viticoltura di precisione (seconda parte)

Aldo Calcante
Aira Mena
Il Ground sensing sembrerebbe l'applicazione più giusta per avere informazioni precise e complete senza appesantire la gestione aziendale.

In viticoltura, i sistemi proposti e sviluppati ai fini del monitoraggio colturale fanno riferimento essenzialmente alle tecnologie remote sensing. Questi sistemi si basano sulla possibilità di ottenere immagini multispettrali dei vigneti attraverso sensori ottici satellitari o aerotrasportati. Ciò significa che le immagini sono esplorate in numerose bande spettrali, ciascuna caratterizzata da una diversa capacità di riflettere la radiazione incidente da parte dei corpi.  Le bande dello spettro ritenute significative per il monitoraggio delle colture sono il verde (555-580 nanometri), il rosso (665-700 nm) e l’infrarosso vicino (Nir, 740-900 nm).
Molto interessanti, per l’analisi delle immagini multispettrali, sono gli indici vegetativi definiti da varie combinazioni matematiche della riflettanza (R) della vegetazione nelle diverse bande dello spettro. Due indici molto utilizzati sono l’Ndvi (Normalized difference vegetation index) e il Red/Nir (rapporto tra rosso e infrarosso vicino) che combinano la riflettanza nelle bande del rosso e dell’infrarosso. Vp Calcante.JPG










L’indice Ndvi è correlato positivamente con la quantità di biomassa vegetale per unità di superficie (Lai) e, dunque, col vigore della coltura. L’indice assume valori compresi tra -1 e +1; in particolare,
da 0,1 a 0,3 indica un suolo nudo o poco inerbito, mentre nel caso sia presente biomassa vegetale l’indice assume valori maggiori di 0,5. Il Red/Nir è messo in relazione allo stato fisiologico della coltura: valori alti di Red/Nir (ossia maggiori di 1) indicano un peggioramento delle condizioni di salute delle piante.
Le immagini Ndvi possono essere utilizzate sia in modo diretto per l’identificazione delle aree a differente vigore vegetativo sia come base per successive elaborazioni attraverso la costruzione di mappe tematiche così come illustrato nell'immagine.Mappe resa.JPG












Il Tlr, nonostante le sue potenzialità, presenta alcuni problemi di ordine tecnico, economico e organizzativo che ne limitano l’utilizzo nel contesto viticolo italiano, caratterizzato dall’elevata frammentazione degli appezzamenti, soprattutto nelle zone collinari.
In questi casi, il sistema tende a offrire una risoluzione spaziale non adeguata, con immagini che non sempre permettono di distinguere i filari, il che rende particolarmente difficile trarre informazioni circa la variabilità all’interno del singolo vigneto.
Un ulteriore problema è dato dalla risoluzione temporale, ossia dalla possibilità di ottenere una sequenza di immagini della zona di interesse che consenta l’osservazione dei vari stadi di sviluppo della coltura.
La risoluzione temporale dipende dall’intervallo di tempo intercorrente tra due passaggi successivi del satellite sulla stessa area o dalla frequenza dei voli aerei.
Quindi, soprattutto nel Tlr satellitare, accade che le immagini ottenute non coincidano con le fasi fenologiche di interesse o, addirittura, che la loro acquisizione sia compromessa da condizioni meteorologiche sfavorevoli, per esempio a causa della copertura nuvolosa.
Un ultimo aspetto, rilevante nel settore agricolo, è dato dalla difficoltà nell’elaborazione delle immagini multispettrali per la mancanza di un idoneo sistema informativo aziendale.
La possibilità di valutare otticamente lo stato fisiologico delle colture è basata sulle modificazioni che la radiazione luminosa subisce quando va a incidere sulla pianta e interagisce con i suoi tessuti. Ogni corpo, infatti, è caratterizzato da una “firma spettrale”, – che deriva dal rapporto tra la radiazione incidente e quella riflessa dal corpo stesso – chiamata riflettanza. La firma spettrale del tessuto fogliare di una pianta si concentra nell’intervallo dello spettro tra 200 e 2500 nm. Il tessuto vegetale riflette poco nel rosso, poiché queste lunghezze d’onda vengono assorbite maggiormente dalla clorofilla e da altri pigmenti, mentre riflette di più nel verde, motivo per cui appare di questo colore. La riflettanza nell’infrarosso è dovuta alla struttura cellulare del tessuto vegetale e al suo contenuto d’acqua. A livello di chioma, tuttavia, la riflettanza totale deriva dalla somma dei contributi dovuti al tessuto fogliare, alle parti legnose e al terreno.
Lunghezze onda.JPG












Dall’analisi delle variazioni della luce riflessa nelle lunghezze d’onda sopra indicate, si ricavano informazioni circa lo stato della coltura che sono connesse principalmente alla densità di biomassa prodotta (quest’ultima utilizzata quale indice di vigore). A partire dai dati di riflettanza in determinate lunghezze d’onda possono essere calcolati gli indici vegetativi, come combinazione algebrica dei valori spettrali misurati (un esempio di calcolo di Ndvi viene riportato in figura).
Tlr.JPGL’impiego del Tlr per il monitoraggio nel contesto viticolo nazionale ha portato, negli ultimi anni, alla sperimentazione di sistemi ground sensing per effettuare rilievi da terra. Queste tecnologie permettono il rilievo delle proprietà ottiche delle colture sia mediante postazioni a punto fisso posizionate in zone particolarmente rappresentative del vigneto, sia attraverso sistemi mobili montati direttamente su trattore (o su veicoli dedicati). In quest’ultimo caso, i mezzi devono essere dotati anche di ricevitore Gps per poter collegare i dati rilevati con la loro posizione all’interno dell’appezzamento. I rilievi “a punto fisso” si caratterizzano per un’elevata sensibilità delle misure e una bassa rappresentatività spaziale. I “rilievi mobili”, al contrario, hanno una bassa sensibilità e un’elevata rappresentatività spaziale, poiché considerano l’intera superficie dell’appezzamento. Questi ultimi sono pensati per un utilizzo durante lo svolgimento delle normali operazioni meccanizzate di campo, così da interferire il meno possibile con la normale programmazione aziendale.
Le tecnologie impiegabili in rilievi ground sensing sono di diverso tipo. In particolare, sono state sperimentate soluzioni che implementano sensori ottici e sensori analogici (es. sensori a ultrasuoni). In entrambi i casi, il vantaggio risiede nell’opportunità di ottenere un elevato dettaglio spaziale delle informazioni, unito alla massima tempestività dato che i rilievi possono essere concentrati nelle fasi fenologiche più delicate.
Queste tecnologie permettono di valutare lo stato fisiologico della vegetazione in funzione di alcune proprietà dei sensori, i quali:
•    consentono misure non distruttive, che possono essere ripetute su ogni pianta del vigneto e in momenti successivi della stagione vegetativa;
•    non richiedono contatto con la coltura;
•    si basano su fenomeni istantanei, permettendo misure rapide e idonee a essere effettuate anche da veicoli in movimento.
Le informazioni ricavate attraverso l’impiego di sensori ottici ricalcano in parte quelle ottenibili attraverso il remote sensing. I sensori a ultrasuoni si configurano, invece, come un sistema automatico per la misura del volume della chioma.

I sensori ottici
In merito alle tecnologie impiegabili in un sistema ground sensing per il monitoraggio colturale, occorre precisare che gli strumenti più facilmente applicabili nel breve/medio periodo sono quelli basati sulla tecnologia a base di silicio, sensibili nell’intervallo spettrale che va dal visibile all'infrarosso vicino (400-1100 nm).
Nell’ambito dei rilievi mobili da trattore, presso il dipartimento di Ingegneria agraria dell’Università degli studi di Milano, è stata studiata l’applicazione in viticoltura di uno strumento commerciale, il GreenSeeker (NTech Industries, Usa), già normalmente utilizzato su colture di pieno campo quali il mais, il frumento e la barbabietola da zucchero. Il GreenSeeker è un sensore dotato di una propria fonte luminosa, costituita da un led che emette una lama di luce nel rosso e nell’infrarosso vicino. La luce riflessa dalla vegetazione è catturata da un fotodiodo presente nella parte anteriore del dispositivo e, in base a essa sono calcolati, in tempo reale, gli indici vegetativi Ndvi e Red/Nir.
Il GreenSeeker è stato impiegato per una serie di prove di monitoraggio colturale in un vigneto sperimentale dell’Oltrepò Pavese. In questo caso sono stati usati contemporaneamente due sensori in modo da monitorare in un unico passaggio due pareti vegetali contrapposte. Per collegare gli indici vegetativi alla loro posizione nel vigneto, il sistema è stato dotato di ricevitore Dgps a elevata accuratezza.
Dai dati Ndvi raccolti dal GreenSeeker è stata elaborata una mappa tematica, mediante la quale è possibile suddividere il vigneto in varie classi, in base al differente vigore vegetativo. La mappa mostra un’elevata corrispondenza con la situazione reale del vigneto che, al momento della prova, si presentava in condizioni omogenee e di buon vigore vegetativo. Mappe di questo tipo si possono configurare come un efficace strumento gestionale poiché, evidenziando aree a differente vigore, permettono di indirizzare verso di esse le eventuali operazioni di scouting, fino a pianificare interventi gestionali differenziati.

I sensori a ultrasuoni
In viticoltura, lo sviluppo della chioma assume un ruolo fondamentale ai fini della produttività in termini sia quantitativi, sia qualitativi. È importante, quindi, avere a disposizione metodi che possano permettere di stimarne e mapparne le caratteristiche. Le misure manuali del volume della chioma o di parametri a essa collegati, tuttavia, sono laboriose e richiedono un notevole impiego di tempo. Un possibile metodo, rapido e relativamente poco costoso, è rappresentato da un sistema distanziometrico a ultrasuoni.
I sensori a ultrasuoni misurano una distanza rispetto a un oggetto bersaglio, attraverso il tempo di volo del segnale emesso dai sensori e riflesso, nel caso in questione, dalla parete fogliare. Il rilievo è simultaneamente svolto a tre diverse altezze da terra (scelte in funzione dello sviluppo verticale del vigneto), in modo tale da poter calcolare, ricostruendo la sequenza delle misure stesse, il volume della chioma del filare.
Un prototipo ground sensing a ultrasuoni con le caratteristiche citate è stato messo a punto dal Dipartimento di Ingegneria agraria di Milano con lo scopo di individuare soluzioni per il monitoraggio colturale in vigneto facilmente trasferibili al settore operativo.
A titolo esemplificativo, sono riportati  i risultati ottenuti nelle prove condotte su un vigneto sperimentale sito in Oltrepò Pavese, allevato a cordone speronato, durante la stagione vegetativa dell'anno 2009.
È stato possibile stimare lo spessore della chioma (Ct, Canopy thickness) lungo tutti i filari, in base alle misure di distanza restituite dai sensori rispetto a entrambi i lati di ciascun filare. Nella letteratura di settore sono riportate relazioni tra la densità della chioma e alcuni parametri qualitativi delle uve (contenuto zuccherino in °Brix; acidità titolabile in mg l-1 di acido tartarico). Il valore di Ct ottenuto dai dati rilevati dagli ultrasuoni è stato messo in relazione con la misura degli strati fogliari effettuata con il metodo del Point Quadrat, permettendo così la realizzazione di mappe tematiche, come in figura, attraverso la classificazione dei differenti spessori della chioma in tre gruppi, come riportato in tabella.
Tabella VP.jpg







Questo tipo di mappe può fornire al viticoltore indicazioni diagnostiche e/o prescrittive poiché rendono disponibili utili informazioni per la gestione sitospecifica della chioma, di supporto a operazioni di potatura verde indicando le zone dove è necessario intervenire maggiormente rispetto ad altre.
Canopy.JPG












Conclusioni

Si ritiene che le caratteristiche strutturali e produttive del contesto nazionale richiedano un approccio alla viticoltura di precisione diverso rispetto a quanto sviluppato in altri Paesi (in particolare Usa e Australia). Le esigenze di monitoraggio colturale devono essere svolte attraverso soluzioni direttamente gestibili in azienda (per esempio tecnologie ground sensing) senza tuttavia creare difficoltà organizzative alla direzione aziendale. Inoltre, i problemi connessi al telerilevamento possono essere superati con l’adozione di tecnologie integrabili con soluzioni di monitoraggio operativo (Qci), poco considerati nelle esperienze straniere. Ciò comporterà, da parte dei costruttori, un approccio di sviluppo industriale improntato alla massima modularità dei componenti e, da parte degli operatori del settore, una professionalità sempre maggiore.

  Aldo Calcante
dottore agronomo, ricercatore di Meccanica agraria presso il Dipartimento di Dipartimento di Scienze agrarie e ambientali dell'Università degli studi di Milano


Aira Mena
assegnista di ricerca presso il Dipartimento di Ingnegneria agraria dell'Università degli studi di Milano



Temi associati a questo articolo: Gestione aziendale, Informatica, Nuove tecnologie, Viticoltura


 
Home | Intersezioni | Redazione | Autori | Pubblica con noi | Contatti | Copyright | Note legali | Privacy | Credits
Ordine dei dottori agronomi e dei dottori forestali di Milano - C.F. 80035770157 - Registrazione del Tribunale di Milano n. 630 del 26/11/2010 - ISSN 2280-689X