L'agricoltura moderna è costantemente alla ricerca di soluzioni innovative per ottimizzare la produzione, ridurre gli sprechi e mitigare l'impatto ambientale, affrontando al contempo sfide globali come la scarsità idrica e i cambiamenti climatici. In questo scenario, il telerilevamento emerge come una tecnologia fondamentale, offrendo strumenti avanzati per comprendere e gestire con precisione le complesse dinamiche che regolano la fertilità del suolo e la salute delle colture.
Il telerilevamento, infatti, è un insieme di tecniche attraverso le quali è possibile rilevare, ad una certa distanza e attraverso l'uso di appropriati sensori, alcune proprietà fisiche o chimiche di un materiale. Nel contesto dell'agricoltura di precisione, il materiale oggetto del rilievo è costituito dai tessuti vegetali delle colture agrarie e dal suolo, nonché dalla combinazione degli stessi in ciò che viene comunemente chiamato canopy. Questo approccio non solo digitalizza le informazioni, ma facilita in modo rilevante il compito dell'agricoltore, consentendo di pianificare meglio quando piantare, cosa piantare, come gestire e mantenere al meglio le proprie colture, inclusa l'allocazione degli input e il momento della raccolta.
Le Fondamenta del Telerilevamento nell'Agricoltura Moderna
Il telerilevamento rappresenta una pietra miliare per l'evoluzione dell'agricoltura verso modelli sempre più sostenibili e produttivi. La sua essenza risiede nella capacità di acquisire dati senza contatto diretto con l'oggetto di studio, una caratteristica che lo rende incomparabilmente efficiente per il monitoraggio di vaste aree agricole. Questa metodologia si inserisce perfettamente nella filosofia dell'agricoltura di precisione, che ambisce a un approccio mirato e calibrato sulle specifiche esigenze delle singole colture. L'obiettivo finale di tale integrazione di competenze tecniche e scientifiche è essenzialmente quello di effettuare l'intervento giusto, al momento giusto ed in maniera differenziata sull'appezzamento, puntando ad una uniformità colturale che garantisca un aumento di produttività e qualità traducibile in un maggior profitto di vendita.
Con l'avanzare della tecnologia, i sensori impiegati per il telerilevamento sono diventati sempre più potenti, accurati e facilmente accessibili. In particolare, lo sviluppo di sensori satellitari, in orbita su piattaforme satellitari, ha rivoluzionato le possibilità di acquisizione dati. Queste piattaforme, tra cui quelle utilizzate da AGRO.BIG.DATA., offrono una prospettiva globale e una frequenza di rivisitazione che erano impensabili in passato. La disponibilità di dati provenienti da missioni come Sentinel-2, con studi specifici sulla stima dei parametri biofisici dei prati, ha aperto nuove frontiere per la comprensione delle dinamiche vegetazionali su larga scala.
Il telerilevamento (ed in particolare quello di tipo ottico passivo) opera processando immagini multi- o iper-spettrali acquisite da sensori posti a bordo di mezzi aerei (droni, aerei, satelliti) o terrestri (trattori). Questi sensori sono in grado di rilevare l'energia riflessa dalle superfici in specifiche regioni dello spettro elettromagnetico, note come bande di acquisizione, che tipicamente si estendono dalle regioni del visibile a quelle dell'infrarosso (tra 400 e 2500 nanometri). Sulla base del comportamento riflettivo espresso dalle superfici nelle diverse lunghezze d'onda, è possibile descrivere alcune loro proprietà di interesse agronomico, mappandone la distribuzione all'interno degli appezzamenti. Questo permette, ad esempio, di stimare la densità di clorofilla fogliare nel grano invernale utilizzando la risoluzione spettrale di Sentinel-2, come evidenziato da Vincini M, Amaducci S e Frazzi E nel 2014. Le mappe di prescrizione risultanti possono poi essere utilizzate da macchine operatrici a rateo variabile, munite di sistema di posizionamento satellitare per la guida e di sistemi di lavorazione automatici, per effettuare interventi colturali (ad esempio, la distribuzione di un fertilizzante) differenziati a seconda delle classi in esse riportate. Questo approccio garantisce che ogni porzione del campo riceva esattamente ciò di cui ha bisogno, ottimizzando l'uso delle risorse e minimizzando gli sprechi.
Le Tecniche Spettrali e l'Imaging Iperspettrale per la Diagnosi Agronomica
L'analisi dello spettro elettromagnetico riflesso dalle colture e dal suolo è il cuore del telerilevamento in agricoltura. Ogni materiale, in base alla sua composizione chimica e fisica, riflette e assorbe la luce in modo unico attraverso diverse lunghezze d'onda, creando una "firma spettrale" distintiva. Questa firma è una vera e propria impronta digitale che rivela informazioni preziose sullo stato di salute della pianta, il suo contenuto di nutrienti, la presenza di stress idrico o patologie, e persino la composizione del suolo.
L'imaging iperspettrale (HSI) è una delle tecniche più avanzate in questo campo, in grado di catturare il modello spettrale di assorbimento e riflessione peculiarmente specifico di colture come grano, riso, mais, cotone e molte altre. L'HSI fornisce informazioni spettrali e spaziali rapide da un'ampia gamma dello spettro elettromagnetico in modo non invasivo. La firma spettrale così acquisita rivela dettagli fondamentali come la composizione, le proprietà chimiche, il colore e altri attributi. Ad esempio, una pianta sana avrà una firma spettrale diversa rispetto a una pianta infetta da una malattia, a causa delle alterazioni nelle sue caratteristiche fisiologiche. Questo permette un rilevamento precoce dello stress, aspetto cruciale per intervenire tempestivamente e minimizzare i potenziali danni alla vegetazione.
Per interpretare queste firme spettrali, vengono spesso utilizzati indici vegetazionali. Tra questi, il Normalized Difference Thermal Index (NDTI) sfrutta le bande dell’infrarosso termico (TIR). Questo indice si basa sul principio che la vegetazione attiva, tramite la traspirazione, mantiene una temperatura superficiale più bassa rispetto a rocce o suolo nudo. Pertanto, variazioni nell'NDTI possono indicare stress idrico o ridotta attività fotosintetica, fattori che influenzano direttamente la fertilità del suolo e la sua capacità di supportare una crescita ottimale.
Un altro indice ampiamente conosciuto è il Normalized Difference Vegetation Index (NDVI), che misura la salute e il vigore della vegetazione basandosi sulla differenza tra la riflettanza nel vicino infrarosso e nel rosso. Tuttavia, è interessante notare come l'NDVI misurato a terra con sensori portatili non abbia mostrato una correlazione soddisfacente con la fitomassa in studi specifici sui prati. In tali contesti, la correlazione più forte è stata invece riscontrata con la più semplice altezza della vegetazione, suggerendo che per determinate applicazioni, metriche fisiche dirette potrebbero essere più informative o complementari agli indici spettrali.
L'indagine sullo stato delle colture e l'analisi dei nutrienti attraverso le loro caratteristiche spettrali permettono di rilevare sottili cambiamenti nella fisiologia delle piante. Grazie a ciò, gli agricoltori possono affrontare tempestivamente le potenziali conseguenze di carenze o eccessi, ottimizzando i raccolti, adattando le strategie di fertilizzazione e, di conseguenza, riducendo la necessità di pesticidi ad ampio spettro per minimizzare l'impatto agricolo sull'ambiente. La capacità di individuazione precoce delle malattie, analizzando le firme spettrali uniche delle piante malate, consente agli agricoltori di identificare e colpire aree specifiche affette, permettendo trattamenti mirati e riducendo la diffusione delle infezioni. Questo si traduce in un'agricoltura di precisione che abilita l'applicazione a tasso variabile di fertilizzanti o pesticidi, con informazioni dettagliate sulle variazioni spaziali all'interno di un campo.
Monitoraggio delle Colture e Diagnosi Precoce: Il Salto Qualitativo del Telerilevamento
Il monitoraggio delle colture svolge un ruolo cruciale nell'agricoltura moderna, poiché fornisce ai ricercatori vegetali e ai produttori agricoli le informazioni critiche necessarie per una produzione produttiva e sostenibile. Facilita interventi proattivi e mirati, che portano a condizioni migliori, utilizzo ottimizzato delle risorse, aumento della produzione agricola e maggiore redditività delle aziende agricole. Tuttavia, le tecniche convenzionali di monitoraggio delle colture presentano diverse limitazioni.
Tradizionalmente, queste tecniche prevedono osservazioni manuali e misurazioni da parte di esperti agricoli, solitamente eseguite mediante ispezione visiva, campionamento sul campo, campionamento del suolo, esplorazione di parassiti e malattie, monitoraggio meteorologico e stima del raccolto. Sebbene ampiamente utilizzati, questi metodi possono richiedere molto tempo e lavoro, essere soggettivi, soggetti a errori e, in alcuni casi, distruttivi per la vegetazione campionata. Potrebbero non fornire informazioni in tempo reale o complete sulla composizione e sulla crescita, portando a un processo decisionale non ottimale e a potenziali perdite di rendimento. Ecco perché c'è un crescente interesse nell'adozione di tecnologie avanzate e approcci all'agricoltura di precisione, come la tecnologia satellitare, le tecniche di telerilevamento e l'imaging iperspettrale (HSI), per report più accurati ed efficienti.
P.3 - Sensori e piattaforme di telerilevamento
Con i sistemi convenzionali di monitoraggio delle colture, gli esperti di agricoltura possono affrontare problemi significativi. L'ispezione visiva soggettiva valuta la costituzione della pianta, la crescita, le carenze nutrizionali e la presenza di parassiti o malattie che diventano visibili solo una volta che la malattia si è diffusa. Con il monitoraggio di precisione delle colture, invece, è possibile implementare il rilevamento precoce degli stress. Individuarli precocemente consente interventi e trattamenti tempestivi, minimizzando i potenziali danni alla vegetazione e, di conseguenza, preservando la produttività legata alla fertilità del suolo.
Il campionamento invasivo del campo e del suolo, che può essere prevenuto grazie a una misurazione non distruttiva delle piante, rappresenta un altro limite. Anche il campionamento sul campo e nel suolo richiede molto tempo, poiché i campioni devono essere inviati ai laboratori per l'analisi. Una soluzione di misurazione non distruttiva, come quella offerta dal telerilevamento, fornisce dati in tempo reale visibili sul posto per l'identificazione di diversi materiali e la definizione delle proprietà. Questo significa che gli agricoltori possono ottenere risposte immediate riguardo alle carenze nutritive o agli stress, permettendo decisioni informate e rapide.
I sistemi di monitoraggio della crescita delle colture ad alta precisione con imaging iperspettrale (HSI) possono assistere gli esperti agricoli con classificazione e mappatura accurate, reporting avanzato dell'impronta chimica del raccolto, rilevamento altamente accurato di malattie e parassiti e, di conseguenza, nella gestione del rischio. Ciò permette decisioni basate sui dati per condizioni di coltura ottimizzate, aiutando a comprendere e migliorare lo sviluppo delle piante, monitorare la produzione agricola in quantità e con una qualità superiore, prevenire le malattie diffuse e mitigarne l’impatto sulla produzione, e infine, soddisfare la crescente domanda di cibo di buona qualità. L'HSI, infatti, è in grado di rilevare anche sottili variazioni nella fisiologia delle piante che non sarebbero visibili a occhio nudo, fornendo un vantaggio inestimabile nella lotta contro i fattori che compromettono la fertilità del suolo e la salute delle colture.
Telerilevamento per la Gestione Idrica e la Resilienza Climatica: Il Progetto REC
L'incremento dell'efficienza nell'uso dell'acqua in agricoltura è strettamente collegato alla scarsità idrica e alla siccità, problemi che affliggono sempre più regioni del mondo. La regione del Mediterraneo, in particolare, è una delle aree più sensibili ai cambiamenti climatici, dove le temperature più alte ridurranno le risorse idriche, mentre maggiori precipitazioni, a volte più intense, comprometteranno il potenziale di irrigazione e i piani di espansione, e aumenteranno la competizione e i conflitti relativi alle risorse d’acqua limitate. D’altro canto, le valutazioni delle prestazioni dell’irrigazione sulla scala del campo mostrano una discrepanza tra il fabbisogno di irrigazione e la quantità di acqua irrigua che viene in effetti applicata. Questa inefficienza non solo spreca una risorsa preziosa, ma può anche compromettere la fertilità del suolo attraverso processi come la lisciviazione dei nutrienti o l'accumulo di sali.
In questo contesto critico, il telerilevamento offre soluzioni all'avanguardia. Il progetto REC, finanziato dall'UE, ha proposto «una soluzione all’avanguardia per il bisogno di umidità del suolo nella zona delle radici sulla scala del campo, per la gestione dell’irrigazione mediante lo sviluppo di un algoritmo innovativo e operativo», come spiegato dalla coordinatrice dott.ssa Maria Jose Escorihuela. Per la prima volta, questo algoritmo stima la tempistica e la quantità dell’irrigazione nel corso di un’intera stagione agricola. Questo è un passo rivoluzionario, in quanto permette agli agricoltori di ottimizzare l'apporto idrico in base alle reali necessità della coltura e del suolo.
Il team di REC ha effettuato le sue ricerche usando osservazioni di telerilevamento raccolte da una molteplicità di satelliti, tra cui Soil Moisture Ocean Salinity (SMOS), Sentinel 1, 2 e 3, e Landsat. Questa integrazione di dati da diverse piattaforme satellitari, ciascuna con le proprie specificità e risoluzioni, ha permesso di ottenere una visione completa e accurata. Il modello sviluppato è stato validato in una moderna zona irrigata a Segarra-Garrigues, in Spagna, e in un perimetro irrigato della piana di Haouz in Marocco, una parte del bacino idrico Tensift. Queste diverse aree geografiche hanno permesso di testare la robustezza dell'algoritmo in contesti ambientali e agronomici differenti.
L’idea di base del progetto, come spiega il dott. Olivier Merlin, ricercatore del progetto, è quella di ricavare una prima stima approssimativa dell’umidità del suolo nella zona delle radici, integrare queste osservazioni in un modello che simula i flussi idrici della coltura durante tutta la stagione, e ricavare l’irrigazione come una differenza tra le stime giornaliere dell’umidità del suolo nella zona delle radici. Questo approccio modellistico-osservativo si è dimostrato molto efficiente per le quantità di irrigazione stagionali accumulate (inclusi gocciolamento e allagamento), con una correlazione di 0,9 ed un errore di 40 mm, mentre si sono ottenuti errori accettabili (0,5 e 30 mm) per le irrigazioni accumulate nel corso di 2 settimane.
L’umidità del suolo nella zona delle radici e l’evapotraspirazione, ossia il ritorno di vapore acqueo verso l’atmosfera mediante evaporazione dalle superfici di terreno e acqua, quotidiane simulate dalle irrigazioni ricavate sono vicine a quelle stimate grazie a irrigazioni reali. Questa ricerca dimostra in modo convincente l’utilità dei dati satellitari per stimare l’irrigazione, e conseguentemente per meglio definire il bilancio idrico sopra le aree agricole. Inoltre, i partner del progetto hanno sviluppato nuove metodologie e hanno migliorato gli approcci attuali per stimare l’umidità del suolo superficiale. Il telerilevamento ad alta risoluzione dell’umidità del suolo superficiale può essere adesso fornito ogni 3 giorni con qualsiasi condizione meteorologica, fornendo un flusso costante di informazioni vitali.
«REC ha fornito le condizioni per compiere un importante passo in avanti nella stima del telerilevamento per l’umidità del suolo nella zona delle radici su scala giornaliera e del lotto agricolo per la gestione dell’irrigazione delle colture», conclude la dott.ssa Escorihuela. «Di conseguenza, ha gettato le fondamenta per un sistema completo di gestione dell’irrigazione basato sul telerilevamento che migliora l’affidabilità delle decisioni riguardanti l’efficienza dell’utilizzo dell’acqua in agricoltura». Questo impatta direttamente la fertilità del suolo, in quanto una corretta gestione idrica previene stress e garantisce la disponibilità di acqua per l'assorbimento dei nutrienti da parte delle piante.
L'Accesso ai Dati e la Diffusione delle Tecnologie: Sfide e Opportunità
Nonostante il potenziale rivoluzionario del telerilevamento, l'adozione diffusa di queste tecnologie nell'agricoltura ha storicamente incontrato delle barriere. Per lungo tempo, il settore agricolo ha avuto difficoltà nell’accesso a dati di immagini rilevanti. Le esigenze di informazione, infatti, differiscono notevolmente, in termini di risoluzione temporale e spaziale rilevante per il processo decisionale, tra le diverse componenti delle filiere agricole e tra le grandi aziende agricole e quelle piccole. Un tempo, per raccogliere dati sul suolo, si inviavano i topografi sul campo, misurando manualmente i raccolti, un’operazione lenta e costosa, spesso impraticabile per le realtà più piccole.
Oggi, fortunatamente, le barriere di accesso alle immagini stanno diminuendo mentre la risoluzione delle immagini e la varietà dei sensori continuano ad aumentare, come assicura James Rineer, direttore di Geospatial Science & Technology, RTI International. Questa evoluzione democratizza l'accesso a informazioni vitali, rendendo il telerilevamento uno strumento più accessibile anche per gli agricoltori con risorse limitate. Il risultato che ne deriva è che grazie a questa che possiamo definire agricoltura di precisione, per gli agricoltori diventa possibile pianificare meglio ogni fase del ciclo colturale.
Un esempio significativo di questa tendenza è la partnership annunciata il 23 giugno tra SkyWatch Space Applications e AGI, che offriranno immagini satellitari per l’agricoltura di precisione. AGI offrirà ai clienti l’accesso a SkyWatch EarthCache, una piattaforma software che mette a disposizione più fonti di dati satellitari, attraverso il suo Field Data Exchange, un’interfaccia per programmi applicativi (API) per più fonti di dati. SkyWatch fornisce le prime immagini per Field Data Exchange di AGI, che ospita altri tipi di API legate all’agricoltura. In futuro, AGI prevede di aggiungere immagini aeree e di droni e analisi dei dati alla sua piattaforma, creando un ecosistema di dati ancora più completo.
Questa partnership potrebbe risolvere, secondo alcuni esperti, un problema non da poco, ovvero quello dell’accesso e la distribuzione dei dati, facendo in modo che arrivino dal satellite alla sorgente (client) in modo efficiente e facilmente utilizzabile. L’obiettivo che si pone SkyWatch è quello di riunire diverse sorgenti satellitari in un’unica API di facile utilizzo. SkyWatch farà inoltre riferimento ad AGI per qualsiasi cliente agricolo interessato al proprio sistema EarthCache per facilitare meglio il servizio dati e il supporto per i suoi servizi di distribuzione di immagini. Questo tipo di collaborazione è fondamentale per superare le frammentazioni informative e fornire agli agricoltori strumenti concreti per prendere decisioni basate sui dati, migliorando la fertilità del suolo attraverso pratiche agronomiche più informate.
Attualmente, il panorama dell’offerta di servizi basati sul telerilevamento e sull’applicazione di tecnologie ad esso collegate, rivolti alle aziende agricole, varia molto nelle diverse realtà agricole e nelle diverse regioni del mondo. Lo scenario che va costituendosi tuttavia non prevede ancora delle soluzioni di servizi integrati che coprono tutte le fasi del flusso di lavoro, in cui devono necessariamente incontrarsi gli agricoltori, il mondo della ricerca e le Istituzioni. Questo sottolinea la necessità di ulteriori sforzi per creare ecosistemi di servizi più coesi e accessibili.
Studi di Caso e Applicazioni Specifiche del Telerilevamento
Il telerilevamento trova applicazione in una varietà di contesti agricoli, dimostrando la sua versatilità e il suo impatto potenziale. Un esempio notevole viene dal Ruanda, dove la maggior parte della produzione agricola proviene da piccole aziende agricole, che spesso non hanno dati a sufficienza su cui contare. Il governo ha iniziato a cercare una soluzione nella tecnologia per affrontare questa sfida. RTI ha finanziato la ricerca e l’analisi utilizzando immagini satellitari e intelligenza artificiale per migliorare la resilienza agricola e promuovere pratiche di agricoltura di precisione nel paese.
Il progetto Ruanda ha posto il focus sull’identificazione di tipi di colture specifici, analisi spaziali dell’impatto di pratiche alternative sui raccolti e potenziali impatti dei cambiamenti climatici sui raccolti. Gli algoritmi di cui si serve il progetto fanno ricorso a un mix di informazioni satellitari e droni APR per ottimizzare anche le decisioni politiche e gli interventi tempestivi per migliorare la produttività e la redditività. Questo approccio integrato non solo aiuta gli agricoltori a gestire meglio le loro terre, ma fornisce anche ai decisori politici gli strumenti per sviluppare strategie agricole più efficaci e resilienti, con un'attenzione implicita alla sostenibilità della fertilità del suolo a lungo termine.
Un'altra area in cui il telerilevamento si sta dimostrando particolarmente prezioso è la gestione dei prati e dei pascoli. Questi ecosistemi, specialmente quelli seminaturali, non sono solo distese verdi, ma sono la spina dorsale di molti sistemi zootecnici in tutto il mondo, inclusa l’area mediterranea europea. Gestire queste risorse è però una sfida: la quantità di foraggio disponibile è estremamente variabile nello spazio e nel tempo, a causa di fattori come le pratiche agronomiche (sfalcio, concimazione) e il carico animale. La variabilità nella disponibilità di foraggio è direttamente collegata alla capacità del suolo di sostenere la crescita vegetativa, riflettendo la sua fertilità e gestione.
Tradizionalmente, per stimare la biomassa epigea (la quantità di vegetazione sopra il suolo, cioè il foraggio) si ricorre a rilievi in campo, che sono laboriosi e costosi. Le metodologie più all’avanguardia, invece, sfruttano sensori ottici o radar installati su piattaforme che spaziano dagli aeromobili ai droni, ma soprattutto sui satelliti. Questi strumenti permettono un monitoraggio su vasta scala e con una frequenza che sarebbe impossibile con i metodi tradizionali. In conclusione, il telerilevamento, con i dati satellitari in prima linea, è destinato a ricoprire un ruolo sempre più centrale nella caratterizzazione della vegetazione e nel monitoraggio della produzione di fitomassa delle praterie seminaturali. Questo contribuisce a una migliore gestione del pascolo e, di conseguenza, alla preservazione della fertilità del suolo in questi importanti ecosistemi.
Le direttive ministeriali, già da qualche tempo, stanno incentivando la gestione agronomica verso un approccio mirato e calibrato sulle specifiche esigenze delle singole colture, abbracciando la filosofia dell’agricoltura di precisione. Il telerilevamento si inserisce in questo contesto come uno degli strumenti possibili per ottenere efficacemente informazioni relative allo stato delle colture. Digitalizzare le informazioni facilita in modo rilevante il compito dell’agricoltore. I coltivatori, facendo uso di questi strumenti, sono agevolati nel ricordare, tenere traccia dei dati e confrontarli con gli altri che si sono rilevati in passato. Questo flusso di dati continuo permette di costruire una storia del campo, comprendendo meglio le risposte del suolo e delle colture agli interventi, e affinando le pratiche agricole per massimizzare la fertilità e la produttività nel tempo.
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