Rapporto Ricerca I Anno

Rapporto sulle attività di ricerca del I anno di Dottorato XXVI Ciclo - Dott.Armando D’Errico

• Tutor: Chiar.mo Prof. Bruno Basso

•Titolo della ricerca*Sviluppo ed applicazione di uno radiometro multispettrale portatile per la gestione sostenibile della concimazione azotata denominato “Light Nitrogen Detector” (LND)

•Stato dell’arte•Obiettivi•Sintesi delle metodologie adottate•Risultati raggiunti•Discussione dei risultati•Conclusioni•Programma per l’anno successivo•Elenco delle pubblicazioni

* Precedentemente il titolo era: “Applicazioni in agricoltura delle reti wireless di sensori (WSN)”

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Applicazioni delle Wireless Sensor Network (WSN) in agricoltura *

Prioritarie nella Precision Agriculture•Irrigation scheduling, •Greenhouse control, •Frost protection, •Pest management, •Nitrogen scheduling

Molto limitate le ricerche relative all’integrazione di sensori radiometrici in reti wireless per il rilevamento caratteristiche spettrali delle colture

* A. D’Errico, B. Basso, S. A. Bufo “Agricultural applications of Wireless Sensor Networks (WSN)” 3rd International Meeting on Meteorology and Climatology of Mediterranean, Castellaneta Marina (TA) 6 – 9.06.2011

Stato dell’arte

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Stato dell’arte

riflessione ~ 525 nm assorbimento ~ 470 nm e ~ 660 nm

forte riflessione per > 780 nm

Interazioni radiazione

elettromagnetica / piante

firma spettrale

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Stato dell’arte

La banda spettrale tra ~680 e ~780 nm in cui c’è forte aumento della riflettanza è detta “Red Edge “ (RE).

La λ del punto di massima pendenza si chiama “Red Edge Inflection Point” (REIP).

Posizione e forma della riflettanza nel RE possono rivelare situazioni di stress.

Nel RE, una pianta con carenza di azoto ha:

• spostamento del REIP verso il blu (blue shift)

• diminuzione della pendenza della curva di riflettanza nel RE

• aumento della riflettanza nel rosso

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Stato dell’arte

Tra i metodi più diffusi per descrivere lo stato delle colture sulla base di spettri di riflettanza ci sono indici detti Vegetation Indices (VI).

I VI sono calcolati su misure di riflettanza in due o più lunghezze d’onda per esaltare la risposta delle piante e minimizzare effetti di interferenze (suolo nudo, variabilità nella radiazione solare e condizioni climatiche.

NDVINDVI

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Stato dell’arte

La misura della riflettanza che serve per il calcolo dei VI si effettua con sensori radiometrici montati su varie piattaforme (satellite, aereo) o portatili con rilevamento in prossimità della canopia (“ground-based”).

Da aereo o da satellite si possono monitorare grandi estensioni ma con risoluzione spaziale e densità temporale a volte insufficienti a supportare decisioni agronomiche sito-specifiche e tempestive.

«RapidEye» è uno dei satelliti con bande radiometriche importanti per le colture.

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Stato dell’arte

Gli studi relativi ai sensori radiometrici portatili per uso agronomico è notevolmente cresciuto negli ultima anni grazie al veloce progresso tecnologico.

Sono infatti oggi disponibili componenti fotonici ed elettronici con:• elevato rapporto prestazioni / prezzo, • Ingombro e consumo ridotti, • elevata affidabilità e resistenza a condizioni ambientali estreme.

Tali componenti rendono possibile la realizzazione di sistemi per la misura di grandezze radiometriche portatili ed a basso costo.

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Stato dell’arte

Dalla bibliografia appare un notevole interesse per lo sviluppo di apparecchiature sperimentali per il monitoraggio dello stato delle colture su base radiometrica.

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Stato dell’arte

Da alcuni anni sono presenti sul mercato diverse apparecchiature commerciali utiizzate per diversi scopi.

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Obiettivi / Sintesi metodologie

Obiettivi

In accordo con Prof.Basso (tutor), attività di ricerca orientata verso sviluppo e applicazione radiometro multispettrale portatile per la gestione sostenibile della concimazione azotata ( “Light Nitrogen Detector” - LND).

Prevedibili applicazioni LND• strumento radiometrico portatile per la gestione concimazione azotata• dispositivo di confronto con dati tra telerilevati• nodo sensore multi-spettrale per reti radiometriche wireless• sensore radiometrico miniaturizzato per l’uso a bordo di microdroni

Sintesi delle metodologie adottate

• raccolta/studio letteratura internazionale su utilizzo agronomico di dati radiometrici• analisi/elaborazione dati rilevati in campo (S.Chirico/frumento var.Simeto marzo-giugno 2011• simulazione numerica REIP e risposta sensore• scelte progettuali per realizzazione prototipo LND.

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Risultati raggiunti - dati di campo

• aumento riflettanza in tutte le bande• curve più piatte • REIP va verso il blu (blue shift)

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Risultati raggiunti - simulazione numerica

Simulazione della risposta della pianta nel RE con LED come sorgente con distribuzione spettrale gaussiana.

i risultati della simulazione confermano i dati in letteratura e quelli rilevati in campo (interpolazione polinomi Lagrange)

stressno stress

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Risultati raggiunti - prototipo LND

Schema a blocchiPrinted Circuit Board (PCB) della corona sorgenti LED

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Discussione risultati / Conclusioni

Discussione risultati

Conclusioni

• crescente interesse uso dati radiometrici per scopi agronomici• realizzazione sistemi On-The-Go (OTG) per la concimazione, sulla base di VI e modelli matematici• approccio attivo per LND è in linea con recenti scelte industriali• dati misurati in campo sono coerenti con quelli riportati in letteratura• misure in campo e la simulazione numerica confortano indicazioni in bibliografia

su legami tra salute delle colture e firma spettrale

• stato dell’arte conferma validità ricerca su sviluppo e applicazione dell’LND • esistono spin-off universitari per sviluppo apparecchiature radiometriche per gestione colture• principi LND validi dato il crescente interesse di commerciale• prezzi strumenti sul mercato elevato -> spazi di mercato per alternative• gestione sostenibile della concimazione azotata primo obiettivo LND ma prevedibili altre applicazioni (per es. irrigazione / diserbo)

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Programma anno successivo / Elenco delle pubblicazioni

• rafforzamento del gruppo interdisciplinare

• attivazione collaborazione con partner extra-universitari

• prosecuzione raccolta e studio bibliografia

• realizzazione del primo prototipo di LND

• sperimentazione in campo Foggia / Aziende PIF / MSU

• pubblicazione dei risultati

• partecipazione convegni

A. D’Errico, B. Basso, S. A. Bufo “Agricultural applications of Wireless Sensor Networks (WSN)” – 3rd International Meeting on Meteorology and Climatology of Mediterranean, Castellaneta Marina (TA) (6 – 9.06.2011)

Programma

Pubblicazioni

Programma ???

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Bibliografia

1. A. D’Errico, B. Basso, S. A. Bufo “Agricultural applications of Wireless Sensor Networks (WSN)” – 3rd International Meeting on Meteorology and Climatology of Mediterranean, Castellaneta Marina (TA)

6 – 9.06.20112. Wang et al. “Wireless sensors in agriculture and food industry—Recent development and future perspective”

Computers and Electronics in Agriculture (2006)3. Ruiz-Garcia et al. “A Review of Wireless Sensor Technologies and Applications in Agriculture and Food Industry: State of the Art and Current Trends”, Sensors 9 (2009)4. V.I. Adamchuk et al. “Sensor Fusion for Precision Agriculture” In: Thomas, C., editor. Sensor Fusion - Foundation and Applications. Croatia - In-Tech. (2011) 27-405. Devadas. “WIRELESS SENSOR NETWORKS FOR IN-SITU IMAGE VALIDATION FOR WATER AND NUTRIENT MANAGEMENT”, in ISPRS TC VII Symposium, Austria (2010), 187-1926. Hatfield et al. “Application of Spectral Remote Sensing for Agronomic Decisions” – A Supplement to Agronomy

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16. Liew et al. “Signature Optical Cues: Emerging Technologies for Monitoring Plant Health” Sensors 8 (2008) 3205-3239

17. Kim et al. “Hyperspectral Image Analysis for Plant Stress Detection” 2010 ASABE Annual International Meeting presentation n. 1009114

18. Basso “Il ruolo primario dell’agronomia nell’agricoltura di precisione: dai principi teorici alle applicazioni pratiche” http://www.avanzi.unipi.it/comunicazione/convegni/seminario_agric_precisione/documenti_agric_precisione/2_Basso_Pisa_Seminario.pdf

19. Basso et al. REMOTELY SENSED VEGETATION INDICES: THEORY AND APPLICATIONS FOR CROP MANAGEMENT - Rivista Italiana di Agrometeorologia (2004)

http://www.wamis.org/agm/gamp/GAMP_Chap04.pdf20. ENVI User's Guide http://geol.hu/data/online_help/Vegetation_Indices.html21. Hansena et al. Reflectance measurement of canopy biomass and nitrogen status in wheat crops using normalized difference vegetation indices and partial least squares regression, Remote Sensing of Environment 86 (2003) 542–55322. Li Fei et al. Evaluating red edge vegetation indices for estimating winter wheat N status under high canopy coverage condition, The Proceedings of the International Plant Nutrition Colloquium XVI, (2009) Department of Plant Sciences, UC Davis23. Basso et al. Remote sensing and GIS applications in agrometeorology, in Guide to Agricultural Meteorological

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