Programma triennale
di ricerca agricola, agroambientale,
agroalimentare e agroindustriale del Lazio (PRAL)
Agricoltura di precisione per le colture cerealicole del Lazio APreCeL
Progetto finanziato dalla Regione Lazio, Assessorato all'agricoltura
Tecnologie geospaziali ed informatiche per la gestione delle
colture agrarie con la strategia dell’agricoltura di precisione
Pieranna Servadio
CRA-ING
L’obiettivo generale della presente ricerca è stato
quello di valutare, dal punto di vista agronomico
economico ed ambientale, costi e benefici
dell’introduzione di tecnologie di agricoltura di
precisione per le colture cerealicole del Lazio.
L’agricoltura di precisione è una strategia di gestione aziendale che usa le
tecnologie dell'informazione per acquisire dati che portino a decisioni finalizzate
alla produzione agricola. Lo scopo è quello di mettere in sintonia la gestione del
terreno e delle colture con le specifiche esigenze di un campo eterogeneo al fine
di migliorare la produzione, minimizzare i danni ambientali ed elevare gli standard
qualitativi dei prodotti agricoli.
La sua pratica applicazione è oggi possibile grazie alle avanzate tecniche e
sistemi informatici di monitoraggio, con i quali si possono automaticamente
ottenere informazioni sulle condizioni delle colture e del suolo e sulle loro
variazioni nello spazio e nel tempo.
L’agricoltura di precisione si basa su tre principali fasi : 1) acquisizione e
registrazione dei dati ad una appropriata scala e frequenza, 2) interpretazione ed
analisi di quei dati, 3) implementazione di una risposta gestionale ad una
appropriata scala e tempo.
Principali tecnologie disponibili
Informazioni georeferenziate
La georeferenziazione si riferisce alla relazione esistente fra un’informazione
territoriale e la sua posizione geografica, la posizione nello spazio definito dalla
superficie terrestre nella quale il fenomeno si è verificato. Questo rende possibile il
confronto fra i diversi dati spaziali rilevati in uno stesso campo come: proprietà
fisiche del suolo, produzione, irrigazione, contenuto di fertilizzanti, applicazioni di
prodotti chimici a volume variabile.
Sistema di posizionamento globale (GPS)
Il sistema di posizionamento globale (GPS) è un sistema di radio-navigazione
satellitare in grado di fornire informazioni di posizione nelle tre direzioni spaziali,
velocità e tempo.
I ricevitori GPS usano i segnali che provengono da quattro o più satelliti in vista
per calcolare la posizione dell’utente, la sua velocità, il tempo ed altri dati
necessari alle applicazioni agricole. L’uso delle tecniche Differenziali DGPS
consente di ottenere una buona precisione sia per la valutazione della posizione
che della velocità. Il GPS Differenziale è un sistema in grado di calcolare in
tempo reale le posizioni corrette (x.y.z) con una precisione elevata senza bisogno
di correggere successivamente i dati dopo che questi sono stati registrati.
Questo tipo di GPS è utile per svolgere operazioni come la mappatura dei
raccolti con elevata risoluzione, la guida su traiettorie parallele, il campionamento
del suolo e la distribuzione dei fertilizzanti e pesticidi a volume variabile nello
spazio (VRA), o la guida in automatico dei veicoli agricoli.
Sistemi d’informazione geografica (GIS)
Un sistema informativo geografico (GIS) è un’ applicazione software costituita da
più moduli finalizzati ad acquisire, controllare, integrare, elaborare e rappresentare
dei dati che sono spazialmente riferiti alla superficie terrestre (Servadio, 2003).
I software GIS sono disponibili con una vasta gamma di capacità e funzioni, ma tutti
sono capaci di mostrare sotto forma grafica i dati georeferenziati. Sebbene un
singolo strato di dati (es. dati della produzione) può essere mappato con l’uso di
software meno sofisticati, le relazioni più complesse (es. modelli temporali o
confronti multivariati) sono meglio interpretate con i sistemi GIS più completi.
Un’adeguata co-registrazione di dati può essere analizzata quantitativamente per
mezzo dell’uso della geostatistica o di altre procedure.
Un principio di base nel GIS è che i diversi strati di una mappa per essere usati
insieme devono basarsi sullo stesso sistema di coordinate. Tutti i file di dati spaziali
in un GIS sono dunque georeferenziati con sistema GPS.
I GIS in combinazione con il GPS possono essere impiegati per effettuare il
controllo della navigazione delle macchine agricole in campo.
Altri programmi grafici per la redazione di mappe tematiche
Oltre ai software per GIS, esistono programmi grafici per Microsoft
Windows che permettono di redigere mappe bi e tridimensionali le cui
informazioni su di una mappa sono rappresentate per mezzo di variazione
continua di colore attraverso la stessa.
Questi programmi, interpolano dati X, Y, Z (longitudine, latitudine e valore
assegnato a ciascun punto), spaziati irregolarmente in una griglia regolare. La
griglia è poi usata per produrre differenti tipi di mappe: a contorni, vettoriale,
d’immagine, sfumata a rilievo, tridimensionale ecc.
I vari metodi producono un’interpolazione spaziale regolare di valori da dati
irregolarmente distribuiti. Nella maggior parte dei casi il metodo
d’interpolazione consigliato è il Kriging, con un variogramma lineare, in
quanto è uno dei metodi più flessibili ed è utile per creare griglie di
qualsiasi tipo di un insieme di dati.
La densità della griglia può essere predeterminata o definita automaticamente dal
numero dei dati presenti. I limiti della griglia definiscono l’estensione delle mappe
che poi vi si costruiscono sopra. I metodi di griglia in questi programmi utilizzano
algoritmi d’interpolazione a media pesata a significare che, a parità d’altri fattori,
tanto più vicino è un punto di misura rispetto al nodo della griglia, tanto più peso ha
per determinare il valore della funzione in un particolare nodo.
Sistemi per la mappatura delle rese
Durante la raccolta integralmente meccanizzata ed effettuata in un unico
passaggio, i sistemi per la mappatura della resa acquisiscono e registrano, con il
supporto del sistema di posizionamento globale e del quantimetro, entrambi
posizionati sulla mietitrebbiatrice, i valori delle rese in una forma continua nella
progressione delle coordinate di posizione.
Durante il monitoraggio della resa una serie di sensori che equipaggiano la
macchina raccoglitrice, rilevano:
la posizione della mietitrebbiatrice nel campo; il flusso della granella; la densità e
l’umidità della granella; la velocità d’avanzamento; la capacità di lavoro espressa
come quantità di prodotto raccolto nel tempo e nello spazio; la larghezza effettiva
della barra; l’inclinazione della macchina sul piano orizzontale.
I dati rilevati vengono acquisiti dal sistema informativo elettronico di bordo,
visualizzati sul display e registrati mediante ‘memory-card’ che interfaccia il
computer montato in cabina con il programma di gestione installato sul PC
aziendale dove le mappe vengono elaborate.
Le mappe così create illustrano le aree di variabilità della resa derivata sia da
processi naturali che da pratiche agricole e sono utili per supportare le scelte
relative alle successive applicazioni di prodotti differenziati nello spazio (VRA).
Tecnologie per la distribuzione degli inputs agricoli a percentuale variabile
L’hardware relativo al sistema di posizionamento per la guida integrata delle
macchine agricole per la distribuzione degli agrochimici, sementi ed acqua
irrigua a percentuale variabile nello spazio (VRA) si basa su dosaggi specifici
e prestabiliti per ogni determinata zona, nel campo, opposte ai dosaggi a
flusso o volume costanti su tutto il campo. I dosaggi dei prodotti sono generati:
1. sulla base di mappe della fertilità del suolo (create a loro volta sulla base dei
campioni raccolti) e delle rese (per le macchine per la raccolta dei prodotti
dove il prodotto raccolto viene monitorato in maniera specifica per ogni sito). I
VRT basati sulle mappe richiedono un sistema di localizzazione
georeferenziata GPS/DGPS ed un’unità di comando per la memorizzazione
dei dosaggi specifici da distribuire per ogni determinata zona, nel campo.
2. Sulla base di sensori a tempo reale, non richiedono un sistema di
localizzazione georeferenziata, ma includono una unità di comando dinamica
che specifica l’applicazione per mezzo di una analisi a tempo reale dei
parametri del suolo e/o della coltura. Detti parametri sono misurati da sensori
a tempo reale che sono utili soprattutto nel caso di variabili dinamiche nel
tempo come il contenuto di azoto nitrico nel suolo e le infestazioni parassitarie.
Sensori del suolo e della pianta
Lo sviluppo di un sistema di sensori offre l’opportunità di automatizzare la
raccolta dei campioni sul suolo e sulle colture ad un maggiore livello d’intensità.
Sensori del suolo
Contenuto di sostanza organica
sensori ottici
Contenuto idrico
raggi IR o microonde
Proprietà fisiche
penetrometri, sensori ad induzione elettromagnetica
Livello nutritivo
Stato della coltura
Investimento
Infestanti
Sensori della pianta
sensori ad ind. Elettromagnetica ed all’IR
riflettanza, radiometri, analizzatori d’immagine IR
sensori meccanici e fotoelettrici
sensori di riflessione della luce visibile o all’IR,
analisi d’immagine
Lo sviluppo del VRA e dei modelli sulla produttività delle colture potrà avere una
più rapida espansione con una più elevata densità di parametri misurati sul
suolo e sulla coltura.
Sensori remoti
Con l’ausilio dei dati forniti dai
sistemi di telerilevamento satellitare,
dalle immagini di foto aeree e dalle
avanzate tecniche elettroniche di
monitoraggio
si
possono
automaticamente registrare la coltura
e le condizioni del suolo nello spazio
e nel tempo.
Guida di precisione delle macchine in campo
CONTROLLO DELLE TRAIETTORIE E DELLA POSIZIONE IN CAMPO DELLA
TRATTRICE AGRICOLA MEDIANTE SISTEMA SATELLITARE
I sistemi integrati di guida e gestione specificatamente progettati per l’automazione
agricola e basati sul GPS Differenziale, utilizzano i dati dei ricevitori GPS
(posizione della macchina agricola, sua velocità, tempo ecc.) nelle operazioni di
campagna e per raccogliere i dati che saranno successivamente impiegati in
ufficio per le ulteriori analisi.
Questi sistemi sono già configurati per applicazioni agricole che includono la
mappatura dei campi, il campionamento del suolo, la creazione di fasce di terreno
parallele in pianura e lungo le linee di livello in collina, le applicazioni a volume
variabile per dosaggi differenziati ed il trasferimento dei dati su GIS. Il trasferimento
dei dati raccolti in campo verso un personal computer avviene mediante una
‘memory-card’ scheda PCMCIA.
I componenti del sistema ‘guida in campo’ posizionati sulla macchina sono:
un ricevitore GP410TM in grado di ricevere le correzioni differenziali
in tempo reale secondo lo standard RTCM SC-104 che consente
elevate precisioni.
un’antenna GPS con base magnetica per il montaggio sulle trattrici ed un’antenna
radio;
una unità di controllo e visione ‘Rugged Map Dispaly’ (RMD) per la visione delle
mappe e delle informazioni sui principali parametri di lavoro durante le attività di
campagna;
una barra luminosa a LED di ausilio di guida che consiste in una serie di LED (diodi emettitori di
luce) che sono utilizzati per indicare la posizione del veicolo rispetto ad una traiettoria di movimento teorica.
E’ possibile programmare la sensibilità in metri della barra a LED impostandola nel programma Guida in
campo. Ad es. si può stabilire che l’accensione di 1 LED corrisponde a spostamenti, dalla traiettoria
prestabilita, di 0,20 m.
il software applicativo di supporto alla creazione delle mappe; - Kit di installazione
(Marsili, Servadio, 1998).
Prove in campo svolte presso l’Azienda
Maccarese S.p.A.
Campo
B064, mais
1. Individuazione del sistema informatico per la mappatura della resa più
adatto all’installazione sulla mietitrebbiatrice di proprietà dell’azienda avente
potenza al motore 245 kW, massa 15.400 kg senza testata, capacità del serbatoio
della granella 7000 litri.
Un sistema informatico per macchine operatrici per la raccolta e la distribuzione dei
prodotti è generalmente composti da:
- un quantimetro volumetrico o gravimetrico o d’altro tipo,
- un’antenna o ricevitore DGPS, montata sulla cabina che capta i segnali satellitari,
- dall’hardware, generalmente formato da una base fissa, installata in cabina sulla
quale si aggancia il computer portatile,
- dal software,
- da un lettore di chipcard da collegare alla porta seriale del Personal Computer.
Il computer portatile con integrato ricevitore GPS e ricevitore per la correzione
differenziale del segnale di posizione DGPS può essere separato dalla base fissa
per essere connesso su ogni tipo di macchina in azienda: su macchine da raccolta
semoventi, su macchine per la distribuzione di prodotti, su trattrici ed inoltre può
essere utilizzato come strumento di rilevamento dati per mappature a terra.
2. Installazione del sistema informatico per l’Agricoltura di precisione (PFS)
sulla mietitrebbiatrice composto da:
Sensore di flusso della granella
Monitor collocato nella parte anteriore destra della
cabina con possibilità di monitorare e visualizzare resa
e qualità del prodotto raccolto – dal monitor si possono
controllare anche tutti i parametri e le impostazioni
della mietitrebbiatrice e si aziona tramite i tasti cursore
e la tastiera alfanumerica sempre nel pannello destro
CCM3
PF desktop software
Sensore di umidità
PCMCIA memory-card registra
e interfaccia il computer montato in cabina
con il programma di gestione installato sul
PC aziendale dove le mappe vengono elaborate.
Antenna per la recezione del segnale satellitare GPS
Quantimetro
Sensore di flusso della granella
Parte superiore dell’elevatore
della granella con integrato il
sensore di flusso della granella
del tipo ad impatto.
Altri metodi: massa, volume, metodi indiretti.
Il flusso della granella genera una spinta
su di una superficie curva collegata ad
un bilanciere incernierato, contrappesato
e vincolato alla struttura di contenimento
tramite misuratore di forza.
Il sistema così descritto è fatto in modo
da eliminare l’effetto sul misuratore di
portata della granella delle eventuali
forze dovute al moto accelerato della
macchina raccoglitrice.
Veduta della mietitrebbiatrice in fase di raccolta del frumento duro con il sistema di
mappatura satellitare in funzione.
3. Verifica tecnica della strumentazione per l’agricoltura di precisione e
taratura della strumentazione elettronica-informatica di bordo
Successivamente all’installazione è stata effettuata in campo un’operazione di
controllo e verifica dei parametri funzionali della macchina e la taratura della
strumentazione elettronica-informatica di bordo in condizioni operative, durante la
raccolta di alcuni appezzamenti investiti a frumento duro e mais.
Relativamente ai parametri funzionali della macchina, sono stati effettuati controlli
su: superficie lavorata (ha); prodotto raccolto: massa secca (t), massa umida (t),
volume totale secco (m3), volume totale umido (m3); distanze percorse (km);
larghezza di lavoro effettiva della barra di taglio e sua impostazione; altezza di
taglio; velocità di avanzamento della macchina; ore di lavoro effettuate.
In fase di raccolta si è inoltre rilevata l’importanza della corretta impostazione, nel
computer di bordo della mietitrebbiatrice, dei parametri di raccolta, come ad esempio
la larghezza effettiva di raccolta, l’altezza di taglio e dello svolgimento delle
operazioni con la massima accortezza.
4. Calibrazione del sensore di flusso e del sensore di umidità
Prima delle operazioni di raccolta del grano (Giugno) e del mais da granella
(agosto), sono state effettuate calibrazioni del sensore di flusso e del sensore di
umidità.
E’ importante svolgere con accuratezza la calibrazione, in modo da poter correggere
l’eventuale errore prodotto dai sensori del PFS ed ottenere dati di resa attendibili.
Calibrazione del sensore di flusso PFS
Valori della pesata c/o centro
aziendale (t)
25
grano
y = 0.8086x + 0.0315
R2 = 0.9998
20
15
10
 mais
y = 0.7816x - 0.1732
R2 = 1
5
0
0
5
10
15
20
25
30
Valori registrati dal PFS della macchina (t)
Convalidata la strumentazione è stata eseguita la mappatura georeferenziata delle
rese, dell’umidità sul frumento e della velocità d’avanzamento della macchina.
I dati ottenuti dal sistema informatico di bordo sono stati successivamente elaborati,
dapprima gestendo le mappe mediante il software della macchina.
Successivamente tali dati sono stati esportati e corretti in base all’equazione di
calibrazione ottenuta.
Una elaborazione geostatistica mediante la tecnica di kriging ha permesso di
visualizzare le mappe tematiche per gli appezzamenti oggetto di studio coltivati a grano
ed a mais da granella.
Mappatura grano
CAMPO 85
Variation of North latitude (degree, decimal degree)
Variation of North latitude (degree, decimal degree)
CAMPO 85
41.865
41.864
41.863
41.862
41.861
41.86
41.859
41.858
41.857
41.865
41.864
41.863
41.862
41.861
41.86
41.859
41.858
41.857
41.856
41.856
12.244 12.245 12.246 12.247 12.248 12.249
12.244 12.245 12.246 12.247 12.248 12.249
12.25
12.251 12.252 12.253 12.254
12.25
12.251 12.252 12.253 12.254
Variation of East latitude (degree, decimal degree)
Variation of East latitude (degree, decimal degree)
-1
Velocità m s
Rese di grano t ha
0
0.4
0.8
1.2
-1
1.6
2
2.4
I contorni in queste figure sono stati ottenuti interpolando i dati usando il metodo del Kriging.
Variation of North latitude (degree, decimal degree)
CAMPO B064
41.8815
41.881
Rese di mais, t ha-1
41.8805
14
41.8815
-1
Velocità m s
41.881
41.8805
2.3
2
41.88
1.7
41.8795
1.4
41.879
1.1
0.8
41.8785
0.5
41.878
41.8775
41.88
12
12.229
10
41.8795
8
41.879
6
41.8785
4
2
41.878
0
41.8775
12.229
12.2295
12.23
12.2305
Variation of East latitude (degree, decimal degree)
CAMPO B064
0.2
12.2295
12.23
12.2305
Variation of East latitude (degree, decimal degree)
Variation of North latitude (degree, decimal degree)
Mappatura mais da
granella
Variation of North latitude (degree, decimal degree)
CAMPO B064
41.8815
Umidità (%)
41.881
41.8805
19.05
18.95
41.88
18.85
41.8795
18.75
41.879
18.65
18.55
41.8785
18.45
41.878
18.35
41.8775
12.229
12.2295
12.23
12.2305
Variation of East latitude (degree, decimal degree)
5. Calibrazione spandiconcime finalizzata alla distribuzione a volume
variabile (VRA) del concime azotato, Urea
Prova 1 (418 kg/ha)
Prova 2 (208 kg/ha)
Prova 3 (55 kg/ha)
6
Portata erogatori (kg/min)
5
4
3
2
1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
apertura erogatore (buco, sx vs dx)
Taratura spandiconcime
Dosi
600
Velocità di avanzamento (km/h)
9
500
8.2
418
283
208
121
55
490
310
228
132
60
Dose (kg/ha)
foro di rif.
3
4
5
6
7
y = -422.89Ln(x) + 879.26
R2 = 0.9974
400
9 km/h
300
8.2 km/h
y = -496.84Ln(x) + 1022.3
R2 = 0.993
200
100
0
0
1
2
3
4
5
apertura distributore
foro di riferimento n. (sx vs dx)
6
7
8
Distribuzione a percentuale variabile del concime azotato
Ricevitore GPS
Sistema informatico di bordo
riceve e confronta l’informazione di posizione della trattrice
nel campo con quella registrata nella mappa di distribuzione. Il sistema interviene sulla posizione
dell’attuatore se deve essere modificata la percentuale di volume da distribuire.
Attuatore elettro-idraulico per regolare la quantità di concime che esce dalla
tramoggia.
Connessione standard consente la comunicazione dei dati tra la trattrice e l’operatrice.
L’agricoltura di precisione sta cambiando il modo di condurre
la ricerca in sito superando l’uso dei tradizionali appezzamenti
e/o parcelle sperimentali. Le tecnologie informatiche possono
produrre una quantità tale di informazioni da fare di tutta
l’azienda un ambiente di studio trasformando gli imprenditori
agricoli che operano secondo le tecniche di AP in operatori di
ricerca.
Si ringraziano:
Claudio Destro direttore, Marco Borella, Enrico Gazzola, Alberto Bellotto della Maccarese S.p.A.
per l’ospitalità, la messa a dispozione delle macchine operanti nel centro aziendale e per la
collaborazione.
Francesco Nassetti, Simone Bergonzoli, Paolo Osti, Nicoletta Rosati, per la collaborazione durante
le prove in campo.
Bibliografia
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Servadio P., Marsili A., Beni C., Di Dio C.e Figliolia A. (2000). Spatial variability of maiz yield correlated with soil
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Di Dio C., Servadio P., Marsili A., Figliolia A., (2000). I sistemi di agricoltura di precisione: il caso della
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Marsili A., Servadio P., (2002). Prove di raccolta con una raccogli-trincia-caricatrice semovente Claas dotata di
sistema informativo di bordo. Macchine e Motori Agricoli n. 7/8.
Servadio P., Blasi E., (2003). Agricoltura e occhio digitale. I GIS e le loro applicazioni nel settore agricolo.
L’Informatore Agrario n. 49.