Sviluppare strumenti per analizzare e gestire sistemi colturali

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1 Il progetto 2011/12: GAIA-PocketLAI Sviluppare strumenti per analizzare e gestire sistemi colturali In collaborazione con:

2 Analisi di sistemi colturali attraverso Misure dirette Capacità di spiegare Modellistica di simulazione Misure dirette Indicatori agroecologici Telerilevamento Precisione Applicabilità

3 Analisi di sistemi colturali attraverso Misure dirette Capacità di spiegare Modellistica di simulazione Misure dirette Indicatori agroecologici Telerilevamento Precisione Applicabilità

4 Indice di area fogliare Leaf area index (LAI) "Area della superficie fogliare che insiste sulla superficie unitaria di suolo" E una variabile fondamentale per analizzare le interazioni tra le piante e l atmosfera Quantità di radiazione intercettata Stima richieste idriche CO 2 sequestration Assimilazione in modelli di simulazione Previsioni di produzione stima N crit!

5 Come misurarlo o stimarlo? Può essere misurato 1. Raccogliendo le foglie 2. Misurando la loro superficie Con strumenti dedicati Acquisendo e processando immagini

6 Come misurarlo o stimarlo? E una "misura" ma ha alcune controindicazioni: Molto onerosa Conservazione (accartocciamento foglie) Sovrapposizione foglie Calibrazione area meter È una misura distruttiva con canopy arboree?

7 Come misurarlo o stimarlo? Può essere stimato (metodi indiretti) Relazioni allometriche Inversione di modelli di trasferimento radiativo LAI-2000, LAI-2200 Ceptometri (AccuPAR, SUNSCAN) CI-100 Camera emisferica Adatti nel caso sia necessario fare molte misure

8 Come misurarlo o stimarlo? Metodi indiretti per la stima del LAI Modello di Poisson per foglie infinitamente piccole distribuite casualmente: P 0 e k v LAI v P 0 : gap fraction θ v : angolo di misura k: coefficiente di estinzione, funzione di θ v e di x (distribuzione ellissoidale di Campbell dell angolazione delle foglie) k x x 2 tan x , x 1.702

9 Come misurarlo o stimarlo? k e distribuzione dell angolazione delle foglie Distribuzione ellissoidale di Campbell x = a/b Sferoide prolato (x < 1) Sferoide oblato (x > 1)

10 Come misurarlo o stimarlo? Ceptometri (AccuPAR, SUNSCAN) exp A f 1 1 fb 2K b L 1 Modello di Norman τ: rapporto PAR sotto e sopra canopy f b : frazione (componente) diretta della PAR incidente A = a a 2 a: coefficiente di assorbimento delle foglie nella PAR (per AccuPAR = 0.9)

11 Come misurarlo o stimarlo? Li-Cor LAI-2000 PCA P 0, v v exp G v, cos v LAI v [+] con più angoli non è necessario conoscere G! [-] qualche problema con radiazione diretta

12 Come misurarlo o stimarlo? Fotografia emisferica (obiettivo fisheye)

13 Come misurarlo o stimarlo? CI-100 il principio è quello della camera emisferica, ma il processamento delle immagini avviene direttamente su quanto viene «visto» L acquisizione delle immagini e la loro analisi non sono asincroni.

14 57.5 : L angolo magico Come misurarlo o stimarlo? Warren-Wilson (1963)!!!

15 Come misurarlo o stimarlo? Immagini multiangolari rosso e NIR

16 Come misurarlo o stimarlo? Alcuni degli strumenti che abbiamo visto sono Piuttosto costosi in termini di denaro o di tempo Caratterizzati da una ridotta portabilità In caso di guasto, gli interventi di manutenzione possono essere molto lunghi e costosi le campagne di misura possono essere interrotte

17 Il contesto: c è nuova tecnologia disponibile Smartphone: Volumi di produzione diversi da quelli di LAI-2000 e ceptometri La pressione competitiva sta spingendo i produttori a montare sui telefoni hardware sempre più incredibile Sensori di qualità e grande capacità di calcolo a basso costo Il fatto che i telefoni permettano di fare e ricevere telefonate sta diventando quasi secondario

18 Il contesto: c è nuova tecnologia disponibile Ceptometri o Informazioni sulla struttura della canopy e radiazione diretta/diffusa LAI-2000 o Diversi angoli di misura Angolo magico (57.5 ) o Non servono né informazioni sulla struttura della canopy, né diversi angoli di misura Siamo partiti da qui

19 Il contesto: c è nuova tecnologia disponibile e siamo arrivati qui

20 PocketLAI (1) Abbiamo visto quanto sia importante l angolo (o gli angoli!) di acquisizione. La posizione perfettamente orizzontale dello strumento è fondamentale, altrimenti gli angoli Noi abbiamo cercato di fare qualcosa di meglio

21 PocketLAI (2) Abbiamo usato l accelerometro del telefono per derivare un inclinometro (metodo dei 57.5!!!) cos R 0 cos sin R R x sin y cos sin 0 0 sin cos z cos sin 0 sin cos tan xyz tan G xyz py G G G px sin G py pz pz cos G G 2 py px G 2 pz

22 PocketLAI (3) La gap fraction (P 0 ) è stata stimata utilizzando due metodi: rapporto tra luminanza sopra e sotto la canopy processamento automatico dell immagine Attenzione: è quello che si fa nelle aziende «vere» sviluppo di diversi prototipi testarli usarli molto ("usare", quanto si sviluppano prodotti, non significa "testare") scegliere la soluzione migliore e avviarsi con diverse soluzioni verso il prodotto

23 PocketLAI (4) La gap fraction (P 0 ) è stata stimata utilizzando due metodi: rapporto tra luminanza sopra e sotto la canopy processamento automatico dell immagine L (candele m-2) è la luminanza N è l f-number (rapporto focale) t è il tempo d esposizione S sono gli ISI (sensibilità sensore) k è una costante

24 PocketLAI (5) Aiuola in cortile: 4.53 m 2 m -2

25 PocketLAI (6) La gap fraction (P 0 ) è stata stimata utilizzando due metodi: rapporto tra luminanza sopra e sotto la canopy processamento automatico dell immagine

26 PocketLAI (7) Spazi colore utilizzati per identificare i pixel «di cielo» spazio colore RGB (Red Green Blue) spazio colore HSB (Hue Saturation Brightness)

27 PocketLAI (8) Sistemi Colturali Processamento automatico delle immagini per identificare i pixel di cielo

28 PocketLAI (10) Method Root mean square error (RMSE) Modelling efficiency Coefficient of residual mass App-G App-L AccuPAR R R

29 R PocketLAI c d RSD R (9) Date Plot Method Mean LAI (m 2 m -2 ) Repeatability Reproducibility Destructive Estimated r a b RSD r 11/6/2012 D1 App-G App-L AccuPAR f f R 0.60 e 1.04 f f Sistemi Colturali 4R D2 App-G App-L f f AccuPAR f f R f f R f f /7/2012 D1 App-G f f App-L f f AccuPAR R f 9.43 f R f 9.85 f D2 App-G f f App-L AccuPAR f f R f f R f f /7/2012 D1 App-G App-L AccuPAR R f f R f f D2 App-G App-L AccuPAR R R a : repeatability limit. b : relative standard deviation of repeatability. c : reproducibility limit. d : relative standard deviation of reproducibility. e : laboratory 3 is an outlier according to the Cochran test. f : corrected value (s r set equal to s R in case s r > s R ; Orwitz, 1995; Scaglia et al., 2011).

30 PocketLAI (11)

31 PocketLAI (12) Assunzione dietro i modelli di trasferimento radiativo nelle canopy: "Foglie infinitamente piccole distribuite casualmente all interno della canopy"... Canopy di riso certo deviano da questa assunzione Ma altre lo fanno molto di più!

32 PocketLAI (13)

33 PocketLAI (14) Protocollo di misura: Ceptometro o Mais: Facchi et al. (2010) o Arundo e prato: 5 letture sotto 2 repliche PocketLAI 10 cm 10 cm o Mais: 2 repliche o Arundo e prato: 5 letture 2 repliche Facchi et al. (2010) J. Ag. Eng. 1, 33-40

34 PocketLAI (15) mais arundo prato Arundo (e mais): Sovrastima per valori bassi di LAI (foglie grandi + clumping effect) Sottostima per valori di LAI > 5 m 2 m -2 Prato: Nessuna sovra- o sottostima sistematica Sono necessarie più repliche (eterogeneità, AccuPAR 80 cm-probe)

35 PocketLAI (16) PocketLAI ha rivelato accuratezza in linea con strumenti commerciali Può essere una valida alternativa in caso di: o Contesti caratterizzati da poche risorse o E richiesta grande portabilità o Servono molti strumenti Fare attenzione a: o Device effect (soprattutto per telefoni molto economici) stiamo mettendo a punto un sistema di auto-calibrazione o Meno robusta in caso di canopy che deviano molto dagli assunti

36 PocketLAI da prototipo a prodotto

37 Il progetto 2011/12: GAIA-PocketLAI Simplicity is complexity resolved (C. Brâncuşi)