Sperimentazione: Agricoltura di Precisione da SAPR

Piacenza, 16 ottobre 2015
I DRONI E LA GEOMATICA
FIAPR ACADEMY
SAPR E AGRICOLTURA DI PRECISIONE:
Confronto metrologico tra sensori low
cost e analisi agronomica
A cura del Dipartimento di Geomatica di FIAPR

Sapr e Agricoltura di Precisione
Oggetto del rilievo
Il sito oggetto di studio è costituito da due vigneti
in località Piccioni, Vicobarone (PC) di superficie
pari a circa 1 ha ciascuno, con esposizione
prevalente est-ovest, distribuiti su un terreno con
dislivello complessivamente pari a circa 20 mt.
Stato agronomico Vigneto; 2gg dalla Vendemmia
Vigneto
nuovoVigneto
vecchio
Vigneto
nuovo
Vigneto
vecchio

Descrizione del sito
La sperimentazione e il rilievo
aereo si sono concentrate sul
rilievo cosiddetto “vecchio”

Team di Lavoro
Il team di lavoro, coadiuvato dall’Ing. Valentina Russo (Dip.to Geomatica FIAPR) coinvolge figure
professionali provenienti da diversi ambiti. Ciascuno ha messo a disposizione della
sperimentazione mezzi, competenze, conoscenze specifiche:
- Università di Piacenza
- Attività professionale di Fotogrammetria Aerea 3DeFFe
- Analist Group

Inquadramento cartografico del sito
Inquadramento
cartografico del sito:
cartografia vettoriale
regionale e ortofoto
aerea

Inquadramento cartografico del sito
Inquadramento
cartografico del sito:
cartografia vettoriale
regionale

Scopo della sperimentazione
Porre le prime basi per individuare le PROCEDURE
per l’impiego dei droni nell’ambito dell’agricoltura
di precisione
APPROCCIO GEOMATICO APPROCCIO AGRONOMICO
L’occasione è servita per sperimentare le
potenzialità di impiego di differenti
SAPR unitamente a differenti sensori (e
quindi payload, sistemi di telemetria,
ecc…): velocità e quota di volo,
sovrapposizione dei fotogrammi, ecc…
Analisi validazione scientifica dei dati
acquisiti da SAPR e confronto con le
attuali metodologie

Creare dei casi studio di Mapping NDVI attraverso
l’utilizzo della tecnologia UAV
Compararli con l’attuale processo standardizzato di
analisi NDVI eseguito tramite piattaforme satellitari
o aviotrasportate.
Definire una metodologia standard per l’utilizzo
della tecnologia UAV in scenari di Agricoltura di
Precisione
Scopo della sperimentazione e dell’impiego di
sensori multispettrali

I sapr nell'agricoltura di precisione: perchè?
Immagini acquisite da Satelliti/Aeromobili soddisfano limitatamente le esigenze di una efficiente agr. di precisione
• La risoluzione spaziale è bassa a causa dell’altitudine, specialmente per le immagini Satellitari
• La copertura nuvolosa può oscurare l'immagine
Problemi specifici con le immagini da alta quota
• Il singolo Pixel include informazioni da impianto + terra + coltura.
• E’ necessario un demixing dei pixel per disaccoppiare contenuto informativo di impianto + terra + coltura
Necessità di acquisire immagini da quote piu basse ed in tempi rapidi
• Elimina la necessità del "demix" restituendo contenuti informativi precisi che non richiedono pre-elaborazione
• Capacità di misurare, se richiesto, il contenuto di clorofilla a livello di singole foglie
UAV a 60m altezza
2cm GSD
Aereo a 1800m altezza
40cm GSD
Satellite
5m GSD

Approccio metodologico:
• Analisi del sito
• Pianificazione delle missioni, configurazione dei SAPR in funzione dei
sensori portati
• Data Processing: Generazione di Ortofoto nel visibile e nel multispettrale
• Data Processing: Generazione di mappe NDVI
• Analisi ed interpretazione della mappa NDVI
• Pianificazione degli interventi agronomici correttivi su base spaziale e
temporale (obiettivo prossima ricerca)

APPROCCIO GEOMATICO: metodo di rilievo, risultati
metrici e confronti
STRUMENTAZIONE IMPIEGATA
RILIEVO TOPOGRAFICO PRELIMINARE RILIEVO FOTOGRAFICO AEREO
Stazione totale integrata GPS
Marker cartacei plastificati,
Martello e chiodi per
Posizionamento a terra
Ottocottero NT4 ad eliche
contrapposte
Quadricottero
PHANTOM DJI
Lumix
DMC-GM1
Sony
RX100 MIII
Canon SX260
modif. NIR
MAPIR

metrici e confronti
FASE 1: RILIEVO TOPOGRAFICO
Perché il rilievo topografico preliminare alle riprese aeree?
1 – NECESSITA’ DI ORIENTALE E SCALARE IL MODELLO FOTOGRAMMETRICO
DANDONE DEI REQUISITI METRICI
2 – RENDERE CONFRONTABILI LE ORTOFOTO PROVENIENTI DALLA ELABORAZIONE
DI IMMAGINI ACQUISITE A QUOTE DIVERSE E CON SENSORI DALLE DIMENSIONI E
RISOLUZIONI DIFFERENTI TRA LORO:
LUMIX DMC-GM1 SONY RX 100 MIII CANON SX260 MOD. NIR MAPIR
- Dimensione Sensore
17,3 x 13mm
- Dimensione Fotogramma
4592x3448 pix
13,2x8,8mm
4864x3648 pix
6,16x4,6mm
4000x3000 pix
4,50x3,78mm
4032x3024 pix

metrici e confronti
FASE 1: RILIEVO TOPOGRAFICO
Si sono fissati a terra 20 marker totali
(10 per vgneto).
I marker sono poi stati rilevati con
stazione totale integrata GPS in un SR
locale.
Il riconoscimento dei marker sui
fotogrammi avviene nella prima fase
del processamento in maniera tale da
orientare e scalare fin da subito il
modello.

Tipologia dei Voli
I dati di interesse sono stati raccolti attraverso
3 missioni.
La prima missione si è occupata di collezionare
un dataset di immagini nel visibile per la
ricostruzione dell’ortofoto dell’intero vigneto.
La seconda missione si è occupata di
collezionare un dataset di immagini
multispettrali con camera MAPIR.
La terza missione si è occupata di collezionare
un dataset di immagini multispettrali con
camera CANON.
Altezza di volo media: circa 30m
Scatto programmato: scatto ogni 2
secondi
Tempo di volo medio: 4 minuti
Velocità di volo media: 3m al secondo
Area rilevata: circa 1 ettaro
metrici e confronti
FASE 2: ACQUISIZIONE IMMAGINI AEREE – DATI DI VOLO

metrici e confronti
FASE 2: ACQUISIZIONE IMMAGINI AEREE – DATI DI VOLO
Ottocottero NT4 Quadricotteto Phantom
SONY RX100 MIII
Quota media di volo:
25,15 mt.
(dato da software)
Lungh. Focale mm:
8,8 (eq. Focale 35: 24mm)
CANON SX260 MOD. NIR
27,72 mt.
(dato da software)
Lungh. Focale mm:
4,5
LUMIX DMC-GM1
36,68 mt.
(dato da software)
Lungh. Focale mm:
12
MAPIR
29,86 mt.
(dato da software)
Lungh. Focale mm:
4,35

metrici e confronti
FASE 2: ACQUISIZIONE IMMAGINI AEREE – CONFRONTO SENSORI
SONY RX100 MIII
25,15 mt.
Lungh. Focale mm:
8,8
CANON SX260 MOD. NIR
27,72 mt.
Lungh. Focale mm:
4,5
LUMIX DMC-GM1
36,68 mt.
Lungh. Focale mm:
12
MAPIR
29,86 mt.
Lungh. Focale mm:
4,35

metrici e confronti
FASE 3: ELABORAZIONE ORTOFOTO E CONFRONTO
SONY RX100 MIII CANON SX260 MOD. NIR (*) LUMIX DMC-GM1 MAPIR
(* la georeferenziazione in EXIF delle immagini acquisite da Canon impongono un orientamento differente del modello e dell’ortofoto finale)

metrici e confronti
FASE 3: VALUTAZIONE GSD DELLE ORTOFOTO E CONFRONTI
GSD (Ground Sample Distance) = la
“quantità di terreno contenuta” in un
pixel di ortofoto, essendo la misura
del pixel espressa in metri.
Esiste un rapporto di proporzionalità
inversa tra il valore GSD e la
definizione di una immagine: quanto
più grande è il pixel tanto minore è il
suo livello di dettaglio. Viceversa,
quanto più piccolo è il GSD, tanto più
dettagliata è l’informazione contenuta
nel relativo pixel.
GSD = (s x H) / (f x L)

metrici e confronti
FASE 3: VALUTAZIONE GSD DELLE ORTOFOTO E CONFRONTI (su campione 10x10 cm)
CANON X260 mod. NIR
GSD = 0,896666 cm/pix
Dim. Pix = 0.0015494 mm
SONY RX100 MIII
GSD = 0,581993 cm/pix
Dim. Pix = 0.00260928 mm
LUMIX DMC-GM1
GSD = 1,00728 cm/pix
Dim. Pix = 0.00376729 mm
MAPIR
GSD = 0,680429 cm/pix
Dim. Pix = 0.00120462 mm

metrici e confronti
RIPRESE CON TERMOCAMERA OPTRIS
Necessità di adattamento e configurazione del SAPR al payload
richiesto. Effettuate riprese nadirali e oblique su tre filari specifici
Riprese
oblique
Riprese
nadirali

CONCLUSIONI DI CARATTERE FOTOGRAMMETRICO
FASE 3: CONSIDERAZIONI FINALI
1 – l’area ricoperta è di superficie pari a circa 1 ha, è stata rilevata con voli della durata media
di 15 minuti ad una quota compresa tra i 25 e i 30 metri;
2 – I sensori utilizzati consentono di acquisire immagini dalle quali elaborare ortofoto alla
scala media di 1:100;
3 – L’impiego di sensori differenti necessita di un rilievo topografico preliminare per rendere
confrontabili i risultati;
4 – Il posizionamento dei marker tra i filari è indispensabile per controllare la modellazione
della superficie ma occorre prestare attenzione, durante il volo, alla ridondanza delle riprese
su di essi in quanto i filari facilmente li nascondono;

Data Processing: La mappa NDVI
Per ottenere la mappa NDVI e verificare lo stato del
vigneto abbiamo utilizzato il SW open di image
processing denominato ImageJ – FIJI.
Il SW applica la formula normalizzata dell’NDVI ad
ogni singolo pixel dell’immagine associando ad esso
un determinato gradiente di colore, in base alla
palette utilizzata. Nel nostro caso abbiamo utilizzato
la classica palette denominata spectrum che associa
al rosso profondo il più alto livello di vigoria
vegetativa ed al verde il più basso livello di vigoria
vegetativa ovvero assenza di clorofilla tipicamente
associabile al terreno. La mappa NDVI è quindi di
fondamentale importanza in quanto ci permette di
comprendere rapidamente quali sono le zone del
vigneto sane e dove invece occorre intervenire in
maniera mirata ed efficace.

Risultati
Il Caso di Applicazione
qui illustrato, mostra che
con tre voli di 12 minuti
medi ciascuno è stato
possibile ottenere la
mappa dell’indice di
vigore vegetativo (NDVI)
di un vigneto di 1 ettaro
circa rendendo possibile
una pianificazione mirata
degli interventi sulla
coltura.

Risultati: valutazione qualitativa del dettaglio ottenuto

NDVI=0.60
NDVI medio – livello gerarchico inferiore

NDVI medio -oggetti segmento di filare

Conclusioni di carattere multispettrale
Il Caso di Applicazione illustrato mostra che con un volo puntuale è stato possibile
ottenere la mappa dell’indice di vigore vegetativo (NDVI) di un vigneto di 1 ettaro circa
rendendo possibile una pianificazione mirata degli interventi sulla coltura.
VANTAGGI
Risoluzioni (cm/pixel) superiori a quelle ottenibili da piattaforme satellitari ed
aviotrasportate
Pianificazione interventi mirati con conseguente risparmio di tempo e denaro
Possibilità di effettuare monitoraggio continuo a basso costo
PROSSIMI OBIETTIVI
 Creazione di una filiera di lavoro standardizzato e di una rete informatica di dati
 Il processo è funzione di diverse variabili di controllo che vanno modellizzate e
standardizzate

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