il Centro CITIMAP: obiettivi dell attivit attività sperimentale e prospettive per la fornitura di servizi CALEGARI 1, Dante TASSI 2, Alberto CAVALLI 2

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1 il Centro CITIMAP: obiettivi dell attivit attività sperimentale e prospettive per la fornitura di servizi Massimo VINCINI 1, Ermes FRAZZI 1, Paolo D'ALESSIO 1, Ferdinando CALEGARI 1, Dante TASSI 2, Alberto CAVALLI 2 1 CRAST, Centro Ricerca Analisi Spaziale e Telerilevamento,, Università Cattolica del Sacro Cuore 2 Azienda Sperimentale Vittorio Tadini

2 Tra le tecnologie più innovative che l agricoltura di precisione applica ai processi produttivi vi sono le tecnologie di distribuzione degli input a rateo variabile - Variable Rate Technology (VRT) - mediante le quali è possibile concimare, irrigare e diserbare in maniera mirata e variabile all interno dei singoli appezzamenti. DGPS

3 Queste tecniche richiedono basi informative descriventi la variabilità della situazione colturale nei singoli appezzamenti quanto serve dove serve

4 Il telerilevamento sta rimuovendo l ostacolo principale all applicazione su larga scala delle tecniche VTR, l onerosità delle basi informative georeferenziate (mappe) che devono guidare la distribuzione variabile degli input. L elaborazione delle mappe di fabbisogno con metodi tradizionali richiede infatti un numero elevato di analisi su campioni georeferenziati.

5 QuickBird Pan-sharpened (res. 60 cm) Aster VNIR (res. 15 m) Workshop CITIMAP: il Telerilevamento per un agricoltura sostenibile - La crescente disponibilità di dati telerilevati ottici ad altissima risoluzione spaziale (VHR Very High Resolution) con parametri radiometrici, spettrometrici e frequenze temporali via via migliori a costi sempre più contenuti sta aprendo nuove prospettive di ottenimento di basi informative per la tecnologia VRT nella agricoltura di precisione.

6 Il Telerilevamento è destinato a diventare una fonte efficace ed economica per l elaborazione di mappe di fabbisogno per le tecniche VRT. Il lasso di tempo necessario ed il grado di adozione di questa tecnologia innovativa dipenderà largamente dalla capacità di fornitura di servizi informativi alle imprese intese sia come produttori di macchine agricole che come aziende agricole utenti di tali macchine. Proiezione del grado di adozione della tecnologia VRT Site Specific Management Center, Purdue University

7 Il Centro per l'innovazione nell'impiego del Telerilevamento nell'industria Meccanica per l'agricoltura di Precisione, finanziato nell'ambito del programma di innovazione tecnologica della Regione Emilia-Romagna ha sede presso l'azienda Sperimentale "Vittorio Tadini" ed è uno dei 57 nodi del "network" realizzato dalla Regione, per garantire al territorio un sistema per la ricerca industriale e il trasferimento tecnologico.

8 Citimap Nasce dall'associazione di Centri di Ricerca e Imprese che collaborano al fine di promuovere il trasferimento delle tecnologie relative al telerilevamento come base informativa per la tecnologia VRT (Variable Rate Technology) nell'agricoltura di precisione. Gli obiettivi sono perseguiti sulla base di un articolato programma di attività sperimentali, divulgative e formative; In questo contesto presso l azienda sperimentale Tadini è stato avviato un piano pluriennale di applicazione del telerilevamento all agricoltura di precisione mediante uno specifico programma di acquisizioni di immagini della superficie aziendale e di raccolta dei parametri agronomici e biofisici delle colture.

9 Attività sperimentale 2005 Il piano sperimentale ed il programma di acquisizioni di dati telerilevati 2005 sono stati definiti ai fini della determinazione del fabbisogno di concimazione ed irriguo mediante telerilevamento su colture a rilevante importanza regionale quali bietola, mais e pomodoro; In particolare il primo anno di attività sperimentale si è posto l obbiettivo di verificare, nelle condizioni regionali, il grado di accuratezza con cui è possibile determinare tali fabbisogni mediante la tecnologia del telerilevamento corrente, per cui cioè esiste già un offerta commerciale consolidata, ed innovativa (con sensori iperspettrali aereotrasportati e satelliti sperimentali).

10 colture sperimentali

11 ground truthing - suoli, colture La variabilità spaziale all interno dei singoli appezzamenti dei parametri di interesse per il fabbisogno nutrizionale ed idrico delle colture è stata stimata mediante letture con strumenti portatili ed analisi di laboratorio. Per le colture ciò è stato fatto cercando la massima contemporaneità possibile con le acquisizioni

12 Densità ottica della foglia ground truthing nutrizione azotata SPAD = V 650nm a log V 650nm 0 V 940nm leaf leaf V 940nm 0 + b Misura dell assorbimento dei pigmenti a 650 nm corretta per riflessione e scattering NIR misure SPAD barbabietola: media di sue letture delle 6 foglie più sviluppate delle 6 piante più vicine alle file 12,24,36,48,60 ai 5, 10 e 15 metri sulla fila per ogni parcella, 6x2x5x3x24=4320 letture SPAD per data dipende dalla distribuzione dei pigmenti nella foglia come pure dal comportamento della lamina in riflessione e scattering; occorre stabilire una relazione affidabile delle misure del singolo strumento SPAD con la quantità di pigmento fogliare

13 Quantità di pigmento per area fogliare ground truthing nutrizione azotata Determinazione pigmento: prelievo 6 rondelle fogliari 18mm diametro in corrispondenza letture SPAD, immersione in N2 liquido, estrazione e lettura spettrofotometrica Clorofilla a+b. Ex. 2x24= 48 analisi per data

14 Quantità di pigmento per area fogliare Densità ottica della foglia (misure Minolta SPAD502)

15 spettroradiometria di campo Parallelamente alla attività di ground truthing mediante spettroradiometria di campagna sono state raccolti raccolte gli spettri di riflessione delle colture caratterizzate per dati agronomici, stato nutrizionale e stress idrico e sono quindi utilizzabili come base documentale per l elaborazione di mappe di fabbisogno a partire dai dati telerilevati. Riflettanza [-] spettroradiometro ASD 27/05/2005 (144 spettri) FL10 FO11 FM Lunghezza d'onda [nm]

16 Obiettivi di diffusione dei dati sperimentali costituzione e pubblicazione di dataset sperimentali italiani relativi all applicazione dei dati telerilevati per l implementazione delle tecnologie di distribuzione degli input a rateo variabile nell agricoltura di precisione; costituzione e diffusione di librerie spettrali relative a colture, nelle fasi fenologiche interessanti per irrigazione e concimazione a rateo variabile, caratterizzate dal punto di vista biofisico ed agronomico.

17 Strategie di elaborazione: fertilizzazione VRT LAI (strutturale) Combinazioni algebriche delle riflettanze nelle diverse bande, hanno relazioni empiriche specifiche con i parametri biofisici delle colture. Indici sensibili alla variazione della concentrazione di pigmento fogliare sono di solito anche sensibili alla variazione di LAI concentrazione di x pigmento per area = fogliare (biochem.) Canopy Chlorophyll Density Ai fini della prescrizione di concimazione a rateo variabile desideriamo avere dai dati telerilevati stime il più possibile indipendenti di questi parametri biofisici delle colture VIs Due approcci differenti sono attualmente utilizzati RTM Formalizzano modelli fisici di trasferimento radiativo: la stima dei parametri biofisici delle colture mediante la loro inversione dovrebbe essere meno vincolata alla specificità del sito (suolo), dell acquisizione (illuminazione, geometria), del sensore.

18 (mais, Haboudane et al., 2002) In letteratura sono proposti indici empirici a sensibilità differenziata rispetto a parametri strutturali e concentrazione di pigmento fotosintetico ma esistono indicazioni controverse sulla loro efficacia

19 ill-posed nature of the inverse problem (Combal et al. 2002) Così pure la compensazione sulle comportamento spettrale a livello di canopy delle caratteristiche strutturali e della concentrazione di pigmento fogliare rendono incerte le inversioni dei modelli in cui entrambe siano incognite

20 Allo stato attuale nell utilizzo dei dati telerilevati per ottenere un consiglio di concimazione in forma di mappa non si può prescindere da una conoscenza (od una stima) a priori delle condizioni vegetative In altre parole l affidabilità della mappa di prescrizione dipende ancora dalla disponibilità di specifici dati di campionamento The Farmstar concept (Coquil e Bordes, 2005) Servizio commerciale basato su inversione di RTM

21 La scelta Citimap (sperimentale/strategica) è di privilegiare in un primo momento l approccio empirico (VIs) che riteniamo possa essere più facilmente reso operativo in tempi brevi Mappa VI smart scouting Mappa VRT

22 Con la disponibilità di dati iperspettrali cosa cambierà? Indici Narrow band Derivate spettrali (REIP ) ed indici di forma spettrale Minor sensibilità alle condizioni sito-specifiche (suolo) e ripresa-specifiche (geometria di acquisizione, illuminazione, condizioni atmosferiche..) Maggior capacità di indagare caratteristiche spettrali di specifica sensibilità ai diversiparametribiofisicidiinteresse Misurazione diretta della concentrazione di pigmento?

23 AISA: altissime risoluzione spaziali e spettrale nelle lunghezze d onda sensibili alla quantità di pigmento clorofilliano per area fogliare 150% N 0% N 100% N

24 PROBA-CHRIS 28th June 2005 L azienda sperimentale Tadini è divenuta con Citimap sito di acquisizione dell innovativo sensore sperimentale CHRIS (Compact High Resolution Imaging Spectrometer) ) a bordo della piattaforma Proba che ha la capacità di acquisire dati iperspettrali multi-angolari con cinque angoli nominali di osservazione (along( track zenith angles: -55, -36,, 0, 0, +36 e +55 ) ) ad una risoluzione massima di 17m.

25 Ma oggi un servizio di fornitura di dati telerilevati per l agricoltura di precisione su che sensori/vis potrebbe essere (tecnicamente/economicamente) basato? Dati multispettrali ad alta ed altissima (VHR) risoluzione spaziale Sensibilità degli indici alle condizioni sito-specifiche? (suolo) Ripresa-specifiche? (geometria di acquisizione, illuminazione, condizioni atmosferiche..) Sufficiente capacità di indagare caratteristiche spettrali di specifica sensibilità ai diversi parametri biofisici di interesse applicativo? Che livello minimo di dati ancillari è necessario per dare prescrizioni VRT attendibili basandosi su VIs?

26 Acquisizioni 2005 QuickBird MS May 26th

27 Ma oggi un servizio di fornitura di dati telerilevati per l agricoltura di precisione su che sensori/vis potrebbe essere (tecnicamente/economicamente) basato? Dati multispettrali ad alta ed altissima (VHR) risoluzione spaziale Sensibilità degli indici alle condizioni sito-specifiche? (suolo) Ripresa-specifiche? (geometria di acquisizione, illuminazione, condizioni atmosferiche..) Sufficiente capacità di indagare caratteristiche spettrali di specifica sensibilità ai diversi parametri biofisici di interesse applicativo? Che livello minimo di dati ancillari è necessario per dare prescrizioni VRT attendibili basandosi su VIs? Esistono gap specifici nella preparazione dei tecnici/consulenti che occorre colmare per un efficace adozione della tecnologia??

28 Dimostrazione e formazione Parallelamente all inizio delle attività sperimentale è stato avviata presso l azienda sperimentale Tadini di un attività di dimostrazione delle tecnologie descritte indirizzate agli operatori agricoli e di un attività di formazione dei tecnici delle imprese produttrici di macchine agricole all utilizzo dei dati resi disponibili dal telerilevamento per le tecniche VRT.

29 Strategie di elaborazione: irrigazione VRT Pur essendo la temperatura della vegetazione un parametro a più alta efficacia diagnostica per lo stato di stress idrico rispetto alla variazione dell assorbimento dell acqua liquida nell infrarosso medio (SWIR) l utilizzo dei dati nell infrarosso termico (TIR) ai fini dell irrigazione a rateo variabile si scontra con la limitata risoluzione spaziale dei sensori satellitari disponibili; L approccio sperimentale di Citimap prevede lo studio della determinazione dello stato di stress idrico sia mediante indici di status idrico ottenuti sia da dati di riflettanza SWIR (da sensori multi-spettrali satellitari ed iperspettrali aereotrasportati MIVIS) sia da dati TIR (MIVIS).

30 Mais Irrigazione piena mais irrigazione scarsa cercospora acquisizioni 2005 MIVIS - July 27th RGB composita a falsi colori (bande )

31 mais irrigazione piena acquisizioni 2005 MIVIS - July 27th mais irrigazione scarsa Banda 93 dello spettrometro TIR (8385 nm)

32 ground truthing stress idrico Umidità delle foglie Conduttanza stomatica Determinazione umidità foglie di mais in contemporanea volo mivis: media di tre foglie ascellari alla spiga delle 3 piante più vicine alle file 16,32,48 ai 10 e 30 metri sulla fila per ogni parcella, 6x24=148 analisi Misure porometriche in contemporanea volo mivis: misure della conduttanza stomatica ai 10 o 30 metri delle file 16 e 48 (2x24=48 misure) sulle stesse foglie sulle quali è poi stata eseguita la determinazione di umidità

33 prospettive Obiettivo del CITIMAP è anche quello di proporsi, nel medio periodo, quale centro di servizio per l acquisizione, l elaborazione e la distribuzione di dati telerilevati nel formato immediatamente utilizzabile nei sistemi informativi aziendali e nei tempi adatti all impiego nei processi produttivi aziendali.

34 PrototipoWorkshop di un sistema CITIMAP: il di Telerilevamento servizio informativo per un agricoltura sostenibile - georeferenziato per l applicazione delle immagini satellitari a concimazione ed irrigazione a rateo variabile sistemi informativi aziendali VIs geotiff (utente esperto) georeferenziazione (shp appezzamenti) I livello di interazione DB TLR Citimap (VIs) QC IP Soil Line? Macchine VRT La natura stessa delle immagini oltre che le competenze specifiche e le dotazioni tecnologiche necessarie rendono l implementazione di database di dati telerilevati per l agricoltura di precisione un processo fortemente caratterizzato dalle economie di scala

35 utilizzo congiunto di DTM ad alta risoluzione

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37 Prototipo Citimap server Citimap GIS/RS Data server is a mapserver developed using an open source OGR compliant GIS map server called Mapserver originally developed by the University of Minnesota (UMN). MapServer is an Open Source development environment for building spatially-enabled internet applications. It runs on top of the common web servers (e.g. IIS and Apache). A client interface is developed with the help of PMapper which is PHP/Mapscript based tool that allows easy portal of geographic information through the web.

38 PrototipoWorkshop di un sistema CITIMAP: il di Telerilevamento servizio informativo per un agricoltura sostenibile - georeferenziato per l applicazione delle immagini satellitari a concimazione ed irrigazione a rateo variabile sistemi informativi aziendali georeferenziazione (shp appezzamenti) dati agronomici VIs geotiff (utente esperto) Suoli agrometeo II livello di interazione DB TLR Citimap (VIs) QC IP Soil Line? Macchine VRT Elaborazione consiglio medio Appezzamento

39 GIAS - Servizio Informativo Globale per l Agricoltura

40 PrototipoWorkshop di un sistema CITIMAP: il di Telerilevamento servizio informativo per un agricoltura sostenibile - georeferenziato per l applicazione delle immagini satellitari a concimazione ed irrigazione a rateo variabile sistemi informativi aziendali georeferenziazione (shp appezzamenti) dati agronomici VIs geotiff (utente esperto) Suoli agrometeo II livello di interazione DB TLR Citimap (VIs) QC IP Soil Line? Macchine VRT Elaborazione consiglio medio Appezzamento Modulazione empirica, MCE? Prescrizione di variabilità del consiglio medio (geotiff)

41 prospettive Uno sviluppo coerente con gli obbiettivi del centro, reso possibile dallo sviluppo delle tecnologie e dalla diminuzione dei costi, potrebbe essere la costituzione di una stazione di ricezione diretta delle immagini. Tale soluzione, ormai disponibile anche per sensori ad alta risoluzione adatti all impiego nell agricoltura di precisione, offre caratteristiche di grande tempestività, parametro critico nelle applicazioni di agricoltura di precisione.

42 Grazie dell attenzione. e di aver partecipato al workshop!