Guido D Urso, Mario Palladino

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1 Atti Pogetto AQUATER, Bai, 31 ottobe 27, L IMPIEGO DI SENSORI OTTICI SATELLITARI PER LA STIMA DEI FABBISOGNI IRRIGUI Guido D Uso, Maio Palladino Dipatimento di Ingegneia Agaia e Agonomia del Teitoio - Univesità di Napoli Fedeico II Intoduzione La iceca scientifica ha potato ad un notevole aumento delle conoscenze dei divesi pocessi fisici pesenti in un sistema iiguo. In paticolae, l impiego di modelli numeici di simulazione idologica consente di miglioae l efficienza dell iigazione, attaveso una coetta valutazione dei consumi idici delle coltue e delle modalità d intevento. L impiego di questi algoitmi è peò seveamente limitato dalla necessità di epeie i dati d ingesso, specialmente quando le aee d indagine inteessano ampie supefici, come nel caso dei compensoi iigui; in questi casi, inolte, è pesente, in genee, una notevole vaiabilità delle tipologie coltuali e di suolo. In questo contesto, un valido ausilio è costituito dall acquisizione di immagini multispettali mediante sensoi emoti ad alta isoluzione spaziale, unitamente ad oppotune tecniche d elaboazione e di gestione dei dati (Schultz e Engman, 2). Le ossevazioni effettuate dai diffeenti sensoi oggi disponibili, nelle egioni del visibile e dell infaosso vicino dello spetto elettomagnetico, consentono di valutae la adiazione solae iflessa della supeficie teeste, attaveso cui è possibile individuae i pincipali paameti che caatteizzano lo sviluppo delle copetue vegetali (in paticolae, l indice di aea fogliae e l albedo). La conoscenza di questi paameti, unitamente all acquisizione di dati ago-meteoologici, pemette la valutazione dell evapotapiazione delle coltue in condizioni di adeguato ifonimento idico, attaveso la nota equazione di Penmann- Montheith, adottata come standad in ambito F.A.O. (Jensen et al., 199; FAO, 1998). Nell ambito del pogetto AQUATER, patendo dalla metodologia messa a punto pesso il Dipatimento di Ingegneia Agaia ed Agonomia del Teitoio dell Univesità di Napoli Fedeico II (D Uso e Menenti, 1995), è stata ulteiomente sviluppata e validata una pocedua pe la stima dei fabbisogni iigui delle coltue basata sull integazione di infomazioni satellitai e dati ago-meteoologici ilevati in situ. Come veà mostato più avanti, mediante oppotune elaboazioni e con l ausilio di dati agometeoologici, è possibile icavae da immagini satellitai le mappe dei fabbisogni iigui delle coltue. Le infomazioni ottenute dalle immagini teleilevate vengono impiegate pe la definizione dei dati di input necessai pe il modello di simulazione idologico. Ciascuna pacella, le cui caatteistiche idauliche sono ipotate nel Sistema Infomativo Teitoiale, viene schematizzata come una colonna di suolo unidimensionale. L inseimento dei dati in fomato aste deivati dall elaboazione delle immagini da satellite in un Sistema Infomativo Teitoiale agevola lo scambio di dati di input e di output con il modello idologico pescelto. L'impiego congiunto dei modelli di simulazione del bilancio idologico e delle tecniche di teleilevamento può isultae di notevole utilità nella valutazione dell efficienza degli inteventi iigui. In paticolae, è possibile confontae i isultati ottenuti da diffeenti simulazioni in cui vengono vaiati, ad esempio, la distibuzione e l'entità dei volumi d'adacquamento.

2 12 Metodologia Le condizioni della copetua vegetale del suolo intevengono nella stima dei flussi potenziali di evapoazione e di taspiazione, E s,p e T p (mm/giono), nonché l entità dei flussi netti di iigazione e pecipitazione, I n e P e (mm/giono). Nel caso di una copetua unifome del suolo ed in pesenza di adeguata disponibilità idica (condizioni potenziali o standad), si può stimae la somma di E s,p e T p attaveso la nota equazione di Penman-Monteith (FAO, 1998). In questa elazione, diffusamente impiegata pe il calcolo dell evapotaspiazione ET da dati meteoologici standad, è necessaio conoscee i valoi di albedo, indice di aea fogliae LAI e altezza media del manto vegetale h c. Questi paameti intevengono nel calcolo della adiazione netta R ns e delle esistenze c ed a secondo le seguenti elazioni: a R ns c,min = (1 ) S [1] t 1 LAI <.5LAI max LAIeff = LAI = LAI LAI.5LAI max LAIeff =.5LAI eff z 2 2 U h ln 3 c zt h ln 3 c.123hc.123hc.168u = [3] Nelle pecedenti equazioni S t appesenta la adiazione solae incidente, U la velocità del vento, z u e z T. le altezze di misua anemometica e temo-igometica. Nell eq. [2] è stata implicitamente assunta una disponibilità idica del suolo non limitata (condizione potenziale), attaveso un valoe minimo della esistenza stomatica, assunto pai a 1 sm -1. Assumendo che l altezza della coltua hc sia legata al LAI da una elazione di tipo lineae, l equazione (3) può essee scitta nel seguente modo: max [2] a a b clai = [4] U ln ( ) ove i paameti a e b, nel caso di z U = z T = 2 m assumono entambi il valoe a = b = 66, mente in molti casi il valoe di c può essee appossimato pai a.2. Inolte, il flusso di caloe nel suolo G può essee stimato dalla elazione seguente poposta da Choudhuy et al. (1987):.5LAI G.4e R ns = [5] Così facendo l equazione di Penman-Monteith, adottata in ambito F.A.O. (1998) può essee adattata pe il calcolo dell evapotaspiazione massima ET p, e scitta esplicitamente in funzione dei paameti coltuali (, LAI e h c ) e di quelli meteoologici: ET p.5 LAI * ( 1.4 )( 1 α )( t + ) + pρa ( s a ) / ( ln( )) s + γ ( 1 + U / ( a bln( clai )) LAI ) 864 s e S L c e e U a b clai = λ [6]

3 13 in cui L * è la adiazione alle onde lunghe, c p è il caloe specifico dell aia, ρ a la densità, (e s e a ) il deficit di vapo satuo, λ il caloe specifico di evapoazione dell acqua, e γ è la costante psicometica. Tutte queste quantità possono essee facilmente dedotte dalle misue di tempeatua T a ed umidità elativa dell aia RH. Adottando, invece, i valoi standad dei paameti della vegetazione ( =.23; LAI = 2.88; h c =.12 m), si ottiene l evapotaspiazione di ifeimento ET (F.A.O., 1998). In patica, in base all eq.[6], pe un assegnato insieme di dati meteoologici, è possibile stabilie una coispondenza fa il valoe di K c ed i paameti e LAI: K ET (, ;,,, ) p c = = f LAI St U T RH [7] ETo La elazione [7] espime il coefficiente coltuale K c, lagamente impiegato in iigazione, mediante una elazione analitica f fa i paameti della vegetazione e LAI, e le vaiabili meteoologiche (tempeatua T, velocità del vento U, pessione di vapoe e, adiazione globale S t ). Pe copetue del suolo paziali, si può effettuae la ipatizione di ET p nei temini E s,p e T p icoendo alla nota schematizzazione: E.5LAI s, p = ETpe [8] p p s, p p 1.5LAI ( ) T = ET E = ET e [9] Anche i flussi di pecipitazione al netto dell intecettazione fogliae, P n, possono essee stimati in funzione dell indice di aea fogliae LAI. E quindi possibile calcolae il fabbisogno iiguo massimo dalla elazione: Vi = ETp Pe [1] Stima di paameti della vegetazione dalla iflettanza della supeficie La stima dei paameti, LAI e h c può essee ottenuta da misue di iflettanza della vegetazione ottenute da immagini satellitai ad alta isoluzione. La distibuzione diezionale della iflettanza spettale della vegetazione, indicata con l aconimo BDRF (Bi-diectional Reflectance Distibution Function) è il isultato dell inteazione di divese componenti, quali lo sviluppo del manto vegetale, le popietà spettali dell appaato fogliae e del suolo, la geometia esistente fa illuminazione ed ossevazione. Inolte, nell impiego di sensoi taspotati a bodo di piattafome aeee o spaziali è necessaio tenee in debito conto dell influenza dei fenomeni di diffusione ed adsobimento atmosfeico sul segnale ilevato dal sensoe. E infatti paticolamente impotante applicae degli algoitmi di coezione degli effetti atmosfeici pe pote avee stime attendibili della iflettanza della supeficie teeste. La complessa inteazione fa la adiazione solae e la vegetazione può essee descitta icoendo a modelli analitici che consentono di stimae la funzione BRDF patendo dai paameti caatteistici della vegetazione, fa cui LAI e LIDF (distibuzione dell angolo d inclinazione dell appaato fogliae). L invesione di questo tipo di modelli ichiede peò ossevazioni multiangolai e multispettali simultanee; ecenti studi hanno

4 14 dimostato la necessità di dispoe di ossevazioni in almeno 5 angoli diffeenti ed in 7 bande oppotunamente scelte pe pote ottenee stime di LAI con pecisione confontabile con misue in-situ. In base alle caatteistiche dei sensoi satellitai multispettali ad alta isoluzione e commecialmente disponibili (Landsat, SPOT) è possibile quindi stimae le quantità, LAI ed h c soltanto applicando algoitmi semi-empiici, basati sull ipotesi che le supefici ossevate pesentino un compotamento di tipo Lambetiano. Pu consideando le limitazioni di questo tipo di appoccio, l impiego di oppotune pocedue di calibazione con dati di tea può condue a isultati di accettabile accuatezza pe molti scopi patici. Stima dell albedo Nel caso di un sensoe multispettale con n-bande, l albedo, o più coettamente la iflettanza emisfeica integata spettalmente, può essee stimato sommando i contibuti di iflettanza in ciascuna banda λ, tenuto conto della coispondente iadianza solae E λ e della adianza iflessa K λ : λ1 ( ) λ n Kλ d π E cosϑ 2 = [11] λ Nella [11] d è la distanza Tea-Sole in U.A. e ϑ è lo zenith solae. Intoducendo i valoi di iflettanza supeficiale λ - dedotte dalle adianze misuate al sensoe mediante algoitmi di coezione che descivono i fenomeni di tasfeimento adiativo nell atmosfea - la elazione [11] si semplifica nella seguente: λ λ λ [12] = w λ = 1,2,..., n in cui i coefficienti w λ sono calcolati dall iadianza spettale del sole E λ nella banda λ coispondente: w λ E = λ λ Eλ [13] Nella caso del Landsat Thematic Mappe, le equazioni [12] e [13] possono essee applicate adottando i valoi di w λ e E λ ipotati in tabella 1. Tabella 1. Coefficienti pe il calcolo dell albedo da adottae nell Eq. Eoe. L'oigine ifeimento non è stata tovata. pe il Landsat TM. Banda Lunghezza onda Ampiezza E λ w λ (nm) (nm) (W m -2 ) (-) TM TM TM TM TM TM

5 15 Stima del LAI Un modello semi-empiico empiico diffusamente impiegato pe la stima del LAI è la elazione semi-empiica empiica poposta da Cleves (1989), dedotta da un analisi semplificata del compotamento adiativo di divesi tipi di coltue: 1 WDVI LAI = ln 1 α WDVI [14] In questa elazione, il temine WDVI (Weighted Diffeence Vegetation Index) è un indice adiometico calcolato dai valoi di iflettanza e i ispettivamente nelle bande del osso ( µm) e dell infaosso possimo ( µm): WDVI = i - s i s [15] Nella [15] il appoto si / s appesenta la pendenza della linea del suolo. Pe la stima di LAI mediante l equazione [14] occoe peventivamente deteminae i paameti WDVI ed α.. Il pimo coisponde al WDVI ossevato pe LAI tendente ad ; mente α viene individuato con l ausilio di misue di LAI a tea. Nella figua 1 è ipotata la distibuzione dei valoi di α,, ottenuta nel coso di una campagna speimentale condotta nel 1994 nella Piana del Sele con dati Landsat TM (D Uso, 21). Intoducendo nell equazione [14] il valoe medio della distibuzione di α pai a.41 ed avendo ilevato un valoe massimo di WDVI uguale a 51, è stato stimato il LAI pe l intea estensione dell aea di studio, compendente cica 3 pacelle. L eoe medio assoluto isultante nella stima del LAI con la pocedua descitte è isultato di.3 nell intevallo di LAI da.5 a 4 m 2 /m 2. Pe valoi di LAI supeioi a 4-5, la stima basata sull eq. [14] o su elazioni analoghe con alti indici di vegetazione è molto meno pecisa, a causa di effetto di satuazione. I vincoli posti alla elazione [2] endono peò molto idotti gli effetti di questa impecisione nel calcolo di ET p. Figua 1. Distibuzione di fequenza del paameto α deivato sulla base di 118 misue di LAI di pieno campo (D Uso, 21).

6 16 Analisi dei isultati: fabbisogni iigui stagione 27 Gli algoitmi descitti pecedentemente sono stati impiegati pe la poduzione di mappe di, LAI, ET c e K c nell aea di studio. Le mappe di LAI e K c ottenute in coispondenza delle date di acquisizione delle immagini satellitai in fomato aste con isoluzione 3 m sono state successivamente incociate con la mappa catastale in fomato vettoiale, individuando così il valoe medio di LAI e K c in ciascuna pacella. Un esempio di isultato di quest elaboazione pe il K c del mese di giugno 27 è illustato in figua 2Figua. Dalle mappe di LAI e K c ottenute in coispondenza delle date di acquisizione delle immagini satellitai, si è poceduto alla stima delle medesime vaiabili pe le date intemedie mediante intepolazione lineae. E stata così geneata una seie tempoale di mappe di LAI e K c, da cui sono state deivate le mappe gionaliee della distibuzione spaziale di E s e T p, in base alle eq.[8] e [9]. I dati accolti hanno consentito di elaboae, con cadenza settimanale, i fabbisogni iigui nei due Consozi iigui della Piana del Sele: il Desta del Fiume Sele ed il Consozio di Paestum-Sinista Sele. Le infomazioni ottenute possono isultae di paticolae utilità sia in fase di gestione, pe miglioae l opeatività degli impianti iigui, sia in fase di pogammazione degli inteventi, pe valutae con maggioe accuatezza la domanda iigua massima pe ciascuno dei distetti. Figua 2. Mappa dell indice di aea fogliae e del coefficiente coltuale K c in fomato aste pe i compensoi iigui della Piana del Sele. Elaboazione da immagine Landsat TM acquisita in data 11 giugno 27. Le mappe del coefficiente coltuale geneate pe ciascuna immagine satellitae sono state ulteiomente elaboate pe identificae le aee effettivamente coltivate (escludendo

7 17 quindi supefici pive di vegetazione, centi ubani, stade) e gli appestamenti potetti (see). Figua 3. Mappa semplificata di uso del suolo pe il consozio Desta Sele. alto see vegetazione Con ifeimento ai divesi distetti pesenti nei due Consozi, sono stati stimati i fabbisogni iigui cumulati duante la stagione iigua 27. I isultati dell elaboazione pe il Consozio Desta Sele sono ipotati in tabella 2 i valoi coispondenti al Consozio Paestum in tabella 3. Tabella 2. Stima dei fabbisogni dei distetti iigui pe il consozio Desta Sele. Fabbisogno pe ettao e pe mese. luglio agosto gioni di ossevazione Bacini Supeficie totale (ha) Supeficie iigua effettiva (ha) Fabbisogno iiguo (m 3 /ha) 1 CASTRULLO NUOVO BOSCARIELLO Z.B.E 1 SEZ.SELE CANALI PELO LIBERO CANALI PELO LIBERO FASCIA LITORANEA CANALI PELO LIBERO CANALI PELO LIBERO CANALI PELO LIBERO L analisi di questi dati mosta che il 58,1% della supeficie icadente nei distetti iigui del Desta Sele è stata effettivamente iigata, mente nel caso del Consozio di Paestum, essa è supeioe al 67%. Pe il Desta Sele il fabbisogno medio pe l intea duata della stagione iigua è valutato in cica 4. m 3 /ha. I valoi medi nei mesi di luglio ed agosto sono piuttosto

8 18 costanti da distetto a distetto, vaiando dai 147 ai 129 m 3 /ha nel mese di luglio, e da 117 a 1283 in agosto. Dei cica 19 mila ettai dei distetti iigui di Paestum, 13 mila sono effettivamente utilizzati pe le coltue di pieno campo o sotto sea (supeficie iigua netta). I valoi dei fabbisogni iigui sui 14 gioni ossevati sono pai a cica 4. m 3 /ha, in linea con quanto avviene in Desta Sele. Tabella 3. Stima dei fabbisogni dei distetti iigui pe il consozio Paestum. Fabbisogno pe ettao e pe mese. luglio agosto gioni di ossevazione Bacini Supeficie totale (ha) Supeficie iigua effettiva (ha) Fabbisogno iiguo (m 3 /ha) ALIMENTA CAPODIFIUME IDROVORA JONTA LUPATA SOLOFRONE LA COSA LAMA PANIELLO CIORLITTO inteo compensoio All inteno di ciascun compensoio è stata fatta una stima del fabbisogno iiguo pe le tipologie coltuali maggiomente pesenti, quali mais, eba medica e coltue aboee (futteti) (Tabelle 4 e 5). Si noti che, che nel caso del mais, il fabbisogno medio è isultato pai a 1428 m 3 /ha nel mese di luglio e 125 m 3 /ha in agosto. Tabella 4. Desta Sele. Fabbisogni iigui medi delle coltue. Dati in meti cubi pe ettao e pe decade. giugno luglio agosto Sup coltua (ha) ERBA MEDICA MAIS FRUTTETO Tabella 5. Paestum. Fabbisogni iigui medi delle coltue. Dati in meti cubi pe ettao pe decade. giugno luglio agosto Sup coltua (ha) ERBA MEDICA MAIS FRUTTETO

9 19 Tali valoi sono in linea con gli effettivi fabbisogni pe l inteo ciclo che possono essee stimati compesi ta i 35 ed i 45 m 3 /ha in Desta Sele e fa 42 e 47 m 3 /ha nel Consozio di Paestum (Fig. 4). MAIS ERBA MEDICA fabbisogno (mc/ha) giu decadi 21-3 giu 1-1 lug 11-2 lug lug 1-1 ago 11-2 ago ago 1-1 sett fabbisogno pe decade 11-2 sett cumulata 11-2 giu 21-3 giu decadi 1-1 lug 11-2 lug lug 1-1 ago 11-2 ago ago fabbisogno pe decade 1-1 sett 11-2 sett cumulata Figua 4. Consozio Paestum. Fabbisogni iigui pe decade e cumulati su mais ed eba medica. Conclusioni Nel pesente lavoo è stata illustata l applicazione della metodologia poposta da D Uso e Menenti (1995) e sviluppata nell ambito del pogetto AQUATER pe la stima dei fabbisogni iigui da sensoi satellitai. La metodologia è stata applicata alle aee dei consozi di iigazione icadenti nella piana del Sele, ove è stata condotta un intensa campagna speimentale. Le tecnologie satellitai consentono oggi un notevole salto di qualità nel livello d infomazione disponibile pe la gestione delle isose idiche in agicoltua. Le mappe di fabbisogni iigui, ottenute mediante la metodologia illustata, hanno un duplice utilizzo. In pimis, esse appesentano uno stumento infomativo sulla distibuzione spaziale e tempoale della domanda d acqua in divesi punti dei compensoi iigui; inolte, esse possono essee utilizzate pe l applicazione di modelli di simulazione idologica, al fine di stimae i divesi temini del bilancio idico nel sistema suolo-pianta, tenendo conto in maniea pecisa della vaiabilità dei fabbisogni iigui in elazione all effettivo sviluppo del manto vegetale. Integando fa loo stumenti quali dispositivi di contollo e di teleilevamento, softwae di simulazione e di gestione di gandi achivi di dati, è oggi pensabile lo sviluppo di sistemi di suppoto alle decisioni nella gestione di un compensoio iiguo. Questi stumenti consentono di simulae divesi scenai ed identificae pe ciascuno di essi le possibili situazioni di cisi del sistema, dovute, ad esempio, a caenze di tipo stuttuale nella ete di distibuzione od a causa di limitazioni nella disponibilità della isosa. L utilizzazione di softwae in gado di manipolae dati geoefeenziati (Sistemi Infomativi Teitoiali) consente di appesentae in foma catogafica i isultati delle simulazioni, pe una loo più agevole e dietta lettua ed intepetazione.

10 11 Bibliogafia Choudhuy, B. J., Idso, S. B. and Reginato, J. R., Analysis of an empiical model fo soil heat flux unde a gowing wheat cop fo estimating evapoation by an infaedtempeatue based enegy balnce equation. Agic. Fo. Meteool., 39, Cleves, J.G.P.W., The application of a weighted infaed-ed vegetation index fo estimation leaf aea index by coecting fo soil moistue. Remote Sensing of Envionmental, 29, D Uso, G. e Menenti, M., Mapping cop coefficients in iigated aeas fom Landsat TM images. Poceed. Euopean Symposium on Satellite Remote Sensing II, SPIE, Int. Soc. Optical Engineeing, pages Bellingham, U.S.A., D Uso, G., 21. Simulation and Management of On-Demand Iigation System: a combined ago-hydological appoach. PhD Dissetation, Wageningen Univesity, 174 pp, ISBN FAO. Cop evapotanspiation. Guidelines fo computing cop wate equiements. Iigation and Dainage Pape, 56, Jensen, M. E., Buman, R. D., Allen, R. G., 199. Evapotanspiation and iigation wate equiements. ASCE Manual n. 71. Menenti, M., Physical aspect and detemination of evapoation in deset applying emote sensing techniques. ICW Repot n.1 (Special issue). Schultz, G. A. e Engman, E. T., 2. Remote sensing in hydology and wate management. In Get A. Schultz and Edwin T. Engman editos, Spinge-Velag Inc, 473 pp. New Yok, U.S.A, 2585.

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