Tecnologia innovativa per la gestione razionale dell’irrigazione basata su visione artificiale

La tecnologia proposta combina l’impiego di un sistema di visione artificiale in grado di rilevare parametri della chioma con i parametri climatici rilevati da sensori in campo, per ottenere una precisa definizione dello stato idrico delle colture. L’obbiettivo è quello di fornire all’agricoltore uno strumento per la gestione irrigua in grado di:
a) adattare con precisione i dosaggi d’acqua in funzione delle specifiche esigenze colturali;
b) ridurre gli sprechi di risorse idriche;
c) migliorare/adattare la qualità dei prodotti in funzione degli obiettivi.

Il progetto si basa su un sistema innovativo che combina l'utilizzo di sensori tradizionali con una sensoristica innovativa. In particolare, una stazione meteo con sensori climatici (temperatura, umidità dell'aria, pioggia, vento) e sensori di umidità del suolo è stata integrata da un particolare sistema di visione artificiale che guarda all'apparato fogliare che è in grado di effettuare misure innovative legate allo stato idrico della pianta, grazie a tecniche di intelligenza artificiale ed elaborazione delle immagini. In base ai dati rilevati dai sensori e alle misure  fisiologiche  (potenziale  idrico  e  conduttanza stomatica) effettuate nel progetto, sono stati ricavati degli specifici indici di stress idrico. Sulla base di questi indici, un software determina le effettive esigenze idriche delle piante dando consigli su quando e quanto irrigare, comandando l'automazione dell'impianto irriguo.

Le misure effettuate sulla chioma sono tre e danno informazioni diversificate e complementari sullo stato idrico:

1. Volume e superficie fogliare - Grazie alla ricostruzione 3D della chioma fatta da una stereo camera si ricavano delle misure di volume e superficie fogliare, le quali permettono di correggere l'indice di evapotraspirazione dell’acqua in funzione delle reali condizioni di sviluppo vegetativo della coltura. Questo indice dà indicazioni importanti sul fabbisogno idrico delle piante. 
   Si tratta di una particolare telecamera utilizzata per il controllo dello sviluppo vegetativo del vigneto. Installata permanentemente di fronte ad alcune piante di un filare, acquisisce foto giornaliere che vengono poi elaborate da un software, riconoscendo automaticamente la vegetazione e ricostruendone la struttura 3D, grazie alla particolare tecnologia di stereo visione. Vengono così elaborate misure giornaliere di volume e superficie fogliare. Le immagini e le misure sono visualizzabili su un portale web, collegato a gli altri sensori della stazione meteo, che funge da sistema di monitoraggio della coltura e da Sistema di Supporto alle Decisioni.
2. Inclinazione media delle foglie - E’ noto che l'inclinazione verso il basso delle foglie o degli apici può essere indice precursore di stress idrico. In particolare la foglia con lo stato idrico ottimale (inclinazione di 45°) ottimizza
   l’intercettazione luminosa per massimizzare l’efficienza fotosintetica. Uno stress idrico induce una maggiore inclinazione fogliare allo scopo di ridurre l'intercettazione luminosa e di conseguenza la traspirazione.
   Grazie al sistema di visione questo aspetto viene acquisito attraverso una misura diretta e automatizzata dell’inclinazione media delle foglie. 
3. Temperatura media delle foglie - Il sistema di visione è integrato con un sensore termico (telecamera nell'infra rosso) che misura la temperatura media fogliare della porzione di vegetazione inquadrata. La tecnica è basata sulla relazione tra la chiusura e l’apertura stomatica e la temperatura delle foglia. Si parte dal principio che la temperatura fogliare aumenti in condizioni di stress idrico poiché gli stomi si chiudono per limitare la perdita d’acqua e la traspirazione rallenta o si arresta. In questo modo viene a mancare la funzione di termoregolazione e la mancata dissipazione del calore latente innesca l’aumento della temperatura fogliare che viene rilevata dalla telecamera ad infrarossi.

Nel corso del progetto, in azienda sono state selezionate due parcelle con minimo di 30 viti e assegnate ai seguenti due trattamenti:

• irrigazione aziendale gestita secondo i protocolli aziendali con l'obiettivo di mantenere le viti in uno stato idrico ottimale;
• non irrigata, gestita per imporre uno stress idrico progressivo, con interventi irrigui eseguiti in condizioni di stress estremamente severo.

In ogni parcella è stato installato: una stazione meteo con sensori climatici, sensori di umidità del suolo e il sistema innovativo di visione artificiale. Durante la stagione è stato monitorato lo stato idrico delle piante misurando ogni 7/10 giorni il potenziale idrico del germoglio a mezzogiorno. Nelle stesse date le misure dell'inclinazione fogliare e temperatura  sono state raccolte sia in automatico dalla stereocamera sia manualmente, al fine di elaborare i dati elaborati dal sistema.

I dati raccolti hanno evidenziato che in assenza di interventi irrigui si sono verificate condizioni di stress idrico. Al contrario le tesi irrigate hanno mantenuto per tutto il periodo potenziali elevati.

I dati di inclinazione fogliare mostrano che per le tesi irrigate l'angolo di inclinazione fogliare  si è mantenuto pressochè costante nel corso della stagione. Viceversa nelle tesi non irrigate l'angolo è aumentato al progredire dello stress idrico, fino ad assumere una posizione quasi verticale. L'analisi della correlazione tra l'angolo fogliare e il potenziale idrico ha evidenziato una elevata significatività, confermando che questo parametro risponde prontamente alle variazioni nello stato idrico della pianta.

Relativamente alla misura della temperatura fogliare i dati evidenziano che anche questo parametro risulta influenzato dallo stato idrico della pianta. L'assenza di irrigazione ha determinato valori termici della chioma superiori di 1-5°C in quasi tutte le date della stagione.

Infine, l'andamento dei valori di angolo fogliare elaborati dalla videocamera ha dimostrato nel corso della stagione una buona corrispondenza con le misure manuali. Anche i dati di temperatura registrati dal sensore IR integrato alla videocamera hanno evidenziato una buona corrispondenza con le misure manuali.