relazione tecnico-scentifica dott. Francesco

UTILIZZO DELL’INDICE NDVI
Giorno 09/06/2016 è stato effettuato il sorvolo su due agrumeti con S.A.P.R.
(Sistema Aeromobile a Pilotaggio Remoto) con apposito sensore costituito da
macchina fotografica con filtro infrarosso per il calcolo dell’NDVI (Normalized
Difference Vegetation Index). Il drone utilizzato per il sorvolo è equipaggiato
con multirotore a 6 motori brushless elettronica naza, gimbal 2 assi, carrello in
carbonio e alluminio, terminatore di volo, apparato video per controllo live del
drone;
La fotocomera utilizzata è una canon sx 260 con sensore CMOS tipo 1/2.3
retroilluminato; lunghezza focale 4,5 - 90 mm (equivalente a 35 mm: 25 - 500
mm); Zoom 20x, grandangolo da 25 mm; gps; con filtro NDVI specifico per
l’agricoltura di precisione.
L’analisi è stata effettuata su due agrumenti di cui si conoscevano già le
problematiche e la loro localizzazione L’agente causale è un virus, Citrus
Tristezza Virus (CTV). Il nostro studio è stato effettuato per cercare di capire
se la condizione di stress della pianta potesse essere rilevata con il nostro
metodo.
PRINCIPIO DEL METODO
Attraverso la fotografia all'infrarosso è infatti possibile calcolare degli indici, il
più noto dei quali è l’NDVI utilizzato nell'agricoltura di precisione per
valutare lo stato di salute vegetativo, evidenziando eventuali criticità in altre
azioni agricole. Spesso la rilevazione nell’infrarosso permette di rilevare i
problemi prima che questi siano visibili ad occhio nudo. Le piante ci appaiono
verdi perché riflettono la radiazione verde e assorbono la radiazione rossa e
blu nella regione spettrale che poi utilizzano come fonte di energia nel
processo di fotosintesi. Il componente della pianta responsabile della
riflessione dell’infrarosso è la clorofilla: più clorofilla equivale a una maggiore
riflessione dell’infrarosso e la pianta appare più “luminosa”. Quindi esiste una
correlazione tra la luminosità della vegetazione nell’infrarosso e la quantità di
clorofilla presente nelle foglie. I botanici sanno che una pianta sana è ricca di
clorofilla mentre una pianta malata o povera di nutrienti avrà una minore
concentrazione di questo elemento. Le cellule delle foglie si sono evolute a
disperdere (cioè a riflettere e a trasmettere) la radiazione solare nel vicino
infrarosso cioè in quella regione spettrale che trasporta circa la metà
dell’energia solare totale in arrivo poiché il livello di energia per fotone in quel
dominio (lunghezze d’onda più lunghe di 700 nm) non è sufficiente per la
sintesi di molecole organiche (potrebbero solo provocare surriscaldamento
della pianta e danneggiare i tessuti)
La possibilità di valutare otticamente lo stato fisiologico delle colture è basata
sulle modificazioni che la radiazione luminosa subisce quando va a incidere
sulla pianta e interagisce con i suoi tessuti. Ogni corpo, infatti, è caratterizzato
da una “firma spettrale” che definisce il comportamento di un corpo investito
da un fascio di radiazioni elettromagnetiche che deriva dal rapporto tra la
radiazione incidente e quella riflessa dal corpo stesso chiamata riflettanza.
La vegetazione è dotata di una firma spettrale caratteristica:
una foglia verde in condizioni normali manifesta mediamente una riflettanza
ripartita come segue: 20% nel verde, 10% nel blu e nel rosso, 70%
nell’infrarosso vicino. Lo spazio compreso tra le due curve tiene conto delle
differenze dovute alla variabilità interspecifica I fattori che naturalmente
contribuiscono alla variabilità nella firma spettrale di una medesima specie
sono molteplici e tra questi si possono annoverare le condizioni stazionali,
l’età, lo stadio fenologico, l’orientamento delle foglie rispetto alla radiazione
incidente, la struttura fogliare, il contenuto idrico, la concentrazione dei
composti biochimici.
CALCOLO DELL’INDICE
Dove Vis e Nir stanno rispettivamente per le misure di riflettanza spettrale
acquisite nelle regioni del visibile e nel vicino infrarosso queste riflettanze
spettrali sono rapporti della radiazione riflessa su quella entrante per ogni
banda spettrale e di conseguenza assumono valori compresi tra 0 e 1.
Con una vegetazione in buona salute si avrà un grande divario tra la luce
visibile assorbita e quella NIR riflessa, mentre piante sofferenti assorbiranno
meno luce visibile per via della ridotta attività fotosintetica e di conseguenza si
avrà un cedimento della struttura cellulare della foglia e quindi la riflettanza
NIR diminuirà facendo ridurre significativamente la differenza tra i due valori.
Il suolo sarà facilmente discriminabile in quanto invece ha valori alti di
riflettanza nel visibile e molto bassi nel NIR.
L’indice NDVI calcolato elaborando le immagini riprese nell’infrarosso, è un
parametro utilizzato nell’agricoltura di precisione perché direttamente
collegato alla salute della vegetazione. Le immagini NDVI realizzate
permettono di scoprire problemi quali la carenza di nutrienti, la presenza di
infezioni parassitarie o le condizioni di stress idrico.
ELABORAZIONE
Con l’evolversi delle tecnologie sono diventate disponibili macchine
fotografiche per il calcolo dell’indice NDVI con un peso ridotto e un costo
accessibile utilizzabili su piccoli veicoli aerei radiocomandati. Queste camere
registrano tre canali come una normale macchina fotografica (Blu, Red,
Green) ma uno dei canali è sostituito dal canale infrarosso. Ogni foto sarà
quindi composta da due colori visibili più l’infrarosso.
Una volta effettuato il sorvolo le foto così ottenute sono state sottoposte a
rielaborazione per l’ottenimento di ortofoto (foto geometricamente corrette),
con un programma chiamato “Photoscan”, potendole così utilizzare come una
mappa precisa dell’impianto in analisi.
Figura 1 Agrumeto 1
Figura 2 Agrumeto 2
Essendo disponibili solo tre canali (R, G, B) per quattro bande (B, G, R,
NIR), per visualizzare il NIR occorrerà attribuirgli un canale;
conseguentemente i due canali restanti verranno assegnati ad altre due bande
del visibile, mentre l’ultima banda verrà esclusa dalla sintesi.
L’elaborazione è eseguita automaticamente da un apposito programma. Alla
banda NIR è assegnato il rosso mente alla banda del blu non è assegnato alcun
canale. In questo modo si formano un numero di rappresentazioni della scena
in toni di grigio, ciascuna delle quali definisce la radianza registrata dal sensore,
per quella specifica banda. L’immagine che si ottiene dopo l’elaborazione è
detta foto a falsi colori in cui il rosso rappresenta le aree di massima vitalità.
Queste immagini a falsi colori sono chiamate “Mappe di Vigore”.
Per il calcolo dell’indice NDVI è stato usato il programma “Qgis”, così da
poter estrarre (splittare) i singoli canali della foto (Red, Green, Blu) ognuno
corrispondente ad una banda spettrale. Con l’utilizzo di questo filtro nel
canale del rosso si leggerà la banda dell’infrarosso (banda spettrale riflessa
maggiormente dalla pianta sana) potendola rapportare con le bande spettrali
del visibile che maggiormente sono assorbite dalla pianta in buono stato di
salute. In fine alle foto è stata attribuita una scala di colori per cercare di
evidenziare quali piante presentassero una situazione di stress in rapporto con
la carenza di clorofilla.
Figura 3 Mappa di Vigore Agrumeto 1
Figura 4 Mappa di Vigore Agrumeto 2
Figura 5 Mappa di Vigore Agrumeto 2
La Mappa NDVI ottenuta consente di valutare immediatamente lo stato di
salute della coltivazione analizzata. Le zone di colore BLU, BLU SCURO
VIOLA rappresentano lo stato di non-vegetazione. Le aree più sane sono
rappresentate dal colore ROSSO. Quelle meno sane dal colore VERDE
GIALLO. La scala dell’indice di vegetazione NDVI che mostra la sequenza
dei colori dallo stato meno sano a quello più sano è: VIOLA-> BLU SCURO> BLU -> VERDE -> GIALLO -> ARANCIO -> ROSSO. Diventa quindi
subito chiaro quali aree necessitano di interventi mirati
RISULTATI
I risultati sono stati soddisfacenti, in quanto nella “Mappa di Vigore 1” gli
alberi che risultavano ad occhio nudo con gran parte della chioma ingiallita si
differenziano di molto dagli alberi sani, quest’ultimi con un colore visualizzati
con il colore rosso nella mappa.Eesempio:
Interessante è stato però riscontrare una differenza se pur meno accentuata su
un albero che effettivamente ad occhio nudo non presentava ancora nessuna
particolare sintomatologia ma si sapeva affetto da gommosi per un innesto
sbagliato.
La pianta è rappresentata nella seguente figura:
Sulla seconda mappa la zona è stata individuata e localizzata la parte
dell’impianto in cui si conosceva la presenza di piante affette dal virus.
Ma in questo caso non si era raggiunto un esteso seccume delle foglie, come
nel precedente caso, ma solo un’irregolare sviluppo del nesto rispetto al
portinnesto, foglie più piccole, ingiallite.
CONCLUSIONI
I rilievi con drone sono pensati per un utilizzo durante lo svolgimento delle
normali operazioni meccanizzate di campo, così da interferire il meno
possibile con la normale programmazione aziendale.
Le tecnologie di rilievo con drone in agricoltura consentono di ottenere un
elevato dettaglio spaziale delle informazioni, unito alla enorme velocità di
acquisizione ed analisi del dato. In questo modo è possibile effettuare molte
analisi nel tempo e, magari, concentrare i rilievi nelle fasi fenologiche più
delicate.
L’utilizzo del drone equipaggiato con sensori garantisce dunque:
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Conoscenza del territorio
Vantaggi ambientali
Supporto per la difesa fitosanitario
Monitoraggio continuo e costante
Interventi mirati
Misure non distruttive, che possono essere ripetute su ogni pianta del
vigneto e in momenti successivi della stagione vegetativa
 Nessun contatto con la coltura