MODELLI FENOLOGICI SVILUPPATI DAL MIPAF Antonio Brunetti, MiPAF Ufficio Centrale di Ecologia Agraria Introduzione I modelli fenologici applicati in agrometeorologia permettono di stimare l evoluzione del ciclo di sviluppo delle colture utilizzando le informazioni climatiche e meteorologiche - in genere molto diffuse sul territorio - per integrare le informazioni fenologiche spesso troppo discontinue nel tempo e nello spazio o addirittura inesistenti. I risultati dei modelli contribuiscono alla soluzione di problemi agrometeorologici operativi come la stima delle rese, l impostazione corretta di piani operativi come quelli di irrigazione, di concimazione, di lotta integrata, ecc.. I modelli di uso più frequente si basano spesso su semplici formule empiriche e sulla sola temperatura dell aria che è la variabile meteorologica di maggiore influenza sullo sviluppo delle piante, ma se le grandezze meteorologiche considerate sono più di una e le esigenze di stima maggiori, allora gli algoritmi usati possono assumere notevole elaborazione. Taluni modelli fenologici possono essere parte integrante di sistemi più complessi dei quali costituiscono l'orologio che segna la progressione delle fasi di sviluppo delle piante e non possono essere usati al di fuori del modello generale se non con opportune modificazioni. Anche quando i modelli richiedono l accesso a banche dati meteorologiche molto grandi (perché studiati per stimare un fenomeno con elevato dettaglio temporale ed essere applicati a porzioni ampie di territorio) hanno il vincolo di non poter essere usati se non nel contesto nei quali sono inseriti e in quello delle basi di dati che li alimentano. Le condizioni appena dette interessano pure i modelli fenologici sviluppati all interno dei programmi di agrometeorologia del Ministero delle Politiche Agricole e Forestali (MiPAF) e ne impediscono una maggiore utilizzazione al di fuori della specifica funzione per la quale sono stati creati. Per eliminare tali vincoli si è ritenuto utile intervenire con uno studio di trasformazione di detti modelli, con l obiettivo di renderli disponibili mediante applicativi GIS, con caratteristiche le più possibili user friendly, a categorie di operatori altrimenti impossibilitati a poterli utilizzare. Materiali e metodi I programmi di agrometeorologia del MiPAF fanno uso di detti modelli in almeno due casi: come parte del programma di valutazione territoriale del Sistema Informativo Agricolo Nazionale (SIAN) e all interno del modello agrometeorologico (SAM) di stima delle rese del Programma AGRIT. Nel primo caso un modello di valutazione fenologica di importanti colture agrarie (frumento, orzo, mais e vite) è stato messo a punto nei primi anni 90 per la caratterizzazione agro-climatica del territorio. Nel secondo caso si è costruito all interno di SAM un orologio biologico capace di seguire la cadenza delle fasi di sviluppo delle piante al fine di stimare per ogni distinta fase il soddisfacimento delle esigenze climatiche delle colture ed eventuali cause di riduzione delle rese. 1
1 caso: passaggio da Modello SIAN a Modello SIAN Phenagri Per la rielaborazione del Modello SIAN sono state fatte alcune scelte di carattere progettuale e tecnologico indirizzate ad ottenere tre livelli di complessità funzionale: utilizzo di PC come piattaforma hardware: i modelli SIAN, originariamente sviluppati per mainframe, sono stati semplicemente "portati" su PC come applicazione stand-alone in ambiente Windows per consentirne una facile diffusione ed utilizzo da parte delle unità operative del progetto Phenagri e di altri potenziali utenti. impiego di DBMS (Data Base Management Systems) per la gestione delle basi di dati. Un software largamente diffuso come Microsoft Access può favorirne l'utilizzo da parte di un ampio numero di utenti. collegamento tra DBMS e G.I.S. per le elaborazioni e la rappresentazione geografica. G.I.S. e DBMS sono strettamente collegati tra loro. L uso del G.I.S. non si limita alla mappatura dei risultati del modello fenologico SIAN, ma viene usato per la creazione di matrici ed isolinee e per il confronto con altri strati tematici di interesse. Anche in questo caso è stato usato un software G.I.S. di ampia diffusione come ArcView. In tal modo si è andati oltre la realizzazione di un semplice applicativo G.I.S., sviluppando un vero e proprio sistema informativo per la gestione e la successiva elaborazione dei risultati dei modelli fenologici SIAN, con vari livelli di complessità funzionale e di requisiti software. Le 3 versioni attualmente disponibili sono a livello di beta release e hanno come punto di partenza comune il modello SIAN che è caratterizzato dalla possibilità di calcolare il tasso di sviluppo oggettivo (Tassog) raggiunto dalla coltura sulla base di una regressione lineare con la media dei parametri oggettivi (temperatura minima e massima giornaliera), registrati nel periodo 1961-90. Lo stesso Tassog si riferisce ad ognuno dei nodi della Griglia Italia (per un totale di 584 nodi). Questo modello non ha un valore predittivo, ma storico in quanto si basa sui dati dell analisi climatologica e consente di valutare lo sviluppo delle colture per periodi scelti dall utente. Come detto i modelli fenologici SIAN sono stati re-implementati in modo tale da poter essere computati secondo diverse modalità. Ciò si traduce in 3 differenti tipi di Run del modello, tra i quali l'utente può scegliere: Transizione di fase: si determina la data alla quale si raggiunge una certa fase fenologica. Tasso di sviluppo: si determina il tasso di sviluppo raggiunto ad una certa data. Confronto fra due Run del tipo "transizione di fase o del tipo "tasso di sviluppo, per valutare scarti tra orizzonti temporali diversi. Confrontando due diversi Run del tipo transizione di fase, si determina la differenza (espressa in giorni) nella data di transizione da una fase fenologica a quella successiva. Si possono in questo caso confrontare due orizzonti temporali (ad esempio gli eventuali "scarti" tra una annata particolare e la serie storica di riferimento) ma anche, per uno stesso periodo, diverse colture o varietà. 2
Confrontando invece due diversi Run del tipo "tasso di sviluppo" si determina la differenza nel tasso di sviluppo raggiunto ad una certa data. L'utente potrà poi specificare l area geografica su cui effettuare il Run, con la scelta di una o più unita amministrative (regioni e/o provincie). Una ulteriore possibilità consentire all'utente l interrogazione e la consultazione degli stessi parametri oggettivi che sono alla base dei modelli SIAN, secondo modalità analoghe a quelle sopra descritte. Si tratta in particolare della media delle temperature medie giornaliere. I modelli SIAN prendono in considerazione quattro colture: frumento, orzo, mais e vite, l'utente può in prospettiva aggiungere altre colture o coefficienti di regressione diversi da quelli usati in ambito SIAN. Strumenti per interpretare e confrontare i risultati dei modelli Un aspetto di particolare importanza è stato interpretare i risultati dei modelli alla luce di elementi di carattere fisico ed economico, rendendoli così più aderenti alle diverse realtà agricole del nostro Paese. A tal fine sono state realizzate delle basi di dati di carattere sia fisico che economico, da mettere a confronto con i risultati degli stessi modelli. Per quanto riguarda i dati di natura fisica, sono stati elaborati una serie di strati tematici legati all orografia (altimetria, pendenza, esposizione) che possono essere sovrapposti ai diversi output generati dai modelli. Ad esempio, sono state realizzate delle maschere di non crescita che permettono di escludere visivamente aree nelle quali, a causa dell altitudine, non e realistico ipotizzare lo sviluppo delle colture considerate. Particolarmente innovativo è poi l utilizzo di informazioni sull'importanza economica delle colture. Queste informazioni, più ancora dei dati su copertura e uso del suolo che si possono ottenere dal telerilevamento, sono essenziali per identificare le zone in cui maggiore è il peso (in questo caso di carattere economico) delle colture oggetto della modellazione fenologica. I dati utilizzati per la definizione degli "Ordinamenti Tecnico-Economici (O.T.E.) sono stati rielaborati per consentire di discriminare ordinamenti basati sulle quattro colture modellate nell ambito SIAN. 1 In sostanza, si è fatto riferimento alla incidenza relativa del reddito lordo standard (r.l.s) per le colture considerate, su base comunale. L'intero territorio nazionale è stato rappresentato come uno strato tematico in cui, ad ogni comune e per ognuna delle colture considerate, è stata assegnata una classe di incidenza economica. I risultati dei modelli fenologici possono essere quindi sovrapposti con questo strato tematico e il confronto evidenzia il peso economico delle colture relativamente all insieme delle attività agricolo-zootecniche. 1 Le informazioni necessarie sono state elaborate a partire dall'atlante Nazionale del Territorio Rurale realizzato per conto del Ministero delle Politiche Agricole, a cura di CAIRE - Urbanistica, Reggio Emilia, 1999. 3
Risultati: realizzazione di diverse versioni dell applicativo e delle relative interfaccia utente Sono state realizzate tre versioni del sistema. Con questo si è voluto consentire un utilizzo da parte di utenti diversi a seconda del software in loro possesso e più in generale del tipo di funzionalità richiesta: Un livello "semplificato" utilizza il solo software Access. In questo caso i risultati si riferiscono ai nodi della Griglia Italia e sono forniti esclusivamente in forma tabellare. Sono comunque consultabili a titolo esemplificativo alcune delle mappe realizzate con le versioni più avanzate. Un livello "intermedio" si avvale, oltre che di Access, del software GIS ArcView. In questo caso i risultati del modello SIAN vengono "mappati" come entità puntiformi. Questi possono essere confrontati con i dati di carattere fisico ed economico. Un livello "avanzato" richiede anche l estensione di ArcView per l analisi raster (Spatial Analyst). Consente tra l altro interpolazioni e creazione di isolinee a partire dai risultati puntiformi del modello SIAN. Per ognuna delle versioni sono state realizzate delle specifiche interfaccia-utente per permettere una gestione la più agevole possibile delle basi di dati, dei modelli e delle procedure di elaborazione e rappresentazione finale dei risultati. Esempio di rappresentazione dei risultati del modello (data di transizione di fase) con interpolazione e creazione di contours Sono molti i possibili esempi di applicazione del sistema sviluppato. Sarà ad esempio possibile valutare i risultati stessi dei modelli qui implementati, mettendoli a confronto con altri, di diversa concezione e operanti a scale differenti. 4
Uno dei possibili risultati sarà quindi quello di poter mettere in luce eventuali necessità e modalità di affinamento degli stessi modelli SIAN. Le tre versioni del sistema sviluppato potranno essere distribuite agli utenti che ne faranno richiesta. Per ognuna è stata realizzata una documentazione relativa sia ai criteri progettuali che alla installazione e al funzionamento del software. Si tratta pertanto di un applicativo stand-alone che ha bisogno di software dedicati (Access, ArcView). Inoltre nel sito del P.F. Phenagri sono state inserite alcune pagine di descrizione dei modelli e dei risultati ottenuti con l applicativo. 2 caso: Gestione, tramite un Sistema Informativo Geografico, dei modelli fenologici sviluppati nell ambito del Programma AGRIT di previsione delle rese (MiPAF Consorzio ITA) Sviluppo dell applicativo Lo sviluppo dell applicativo per la gestione dei modelli AGRIT si è articolato secondo le fasi descritte di seguito: acquisizione della strumentazione HW e SW di base presso UCEA; analisi dei requisiti, definizione dei dati e degli elaborati da produrre; definizione dei requisiti della struttura GIS; individuazione dell architettura definitiva dell applicazione GIS; sviluppo dell applicativo vero e proprio nel quale sono state messe a punto le funzionalità su un primo insieme ristretto di colture. Il prototipo è stato installato e messo a punto su una banca dati aggiornata costantemente con informazioni agrometeorologiche provenienti dalle banche dati e dalle spazializzazioni del Consorzio ITA. Pertanto l utente che voglia far funzionare i modelli accede ad un server remoto senza la necessità di possedere un software dedicato. pubblicazione di un sito web in cui sono riportate le funzionalità e le caratteristiche del prototipo attualmente funzionante: http://www.itacon.it/phenagri/phenagri.htm Mappa del sito WEB Il sito web si apre con la seguente home page; all interno vi si trovano i riferimenti ai siti collegati (sito UCEA, sito PHENAGRI, sito CONSORZIO ITA), nonché la possibilità di iniziare l analisi del programma DB_FENO e l indirizzo e-mail da contattare in caso si volessero informazioni di dettaglio. 5
Moduli dell applicativo Tool di selezione geografica La pagina DB_FENO permette di iniziare ad esplorare le funzionalità del programma. In essa sono riportate le indicazioni su come effettuare la selezione geografica dell area di interesse (Regioni, Province, celle AGRIT) a partire dal menù Selezione Geografica. 6
Quella che segue è l immagine che il sito propone per descrivere la selezione geografica mediante grigliato a celle AGRIT. Simulazione Una volta selezionato il dominio geografico, si attiva il menù Simulazione che presenta in cascata: Selezione Coltura Selezione parametri fasi fenologiche Simulazione Selezione coltura La selezione coltura identifica automaticamente l appartenenza delle celle individuate alla zona geografica di riferimento (Nord, Centro, Sud). Su tale base vengono settati i valori di default (comunque modificabili) della data di semina della coltura prescelta. Un esempio è riportato nella seguente figura. 7
Parametri delle fasi fenologiche La selezione dei parametri delle fasi fenologiche riprende i valori settati in precedenza e permette di impostare correttamente gli estremi delle diverse fasi. Anche in questo caso vengono proposti i valori di default delle date iniziali e finali di ogni fase. Simulazione In questo menù si da inizio alla simulazione. Anche in questa finestra vengono riportati i parametri settati in precedenza e si possono impostare le date di semina e di fine simulazione. Un esempio di risultato della simulazione riferito alle celle AGRIT è riportato nella figura che segue. La schermata del sito web illustra una simulazione sul grigliato della Lombardia. 8