Sperimentazione: Agricoltura di Precisione da SAPR

Piacenza, 16 ottobre 2015

I DRONI E LA GEOMATICAFIAPR 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 rilievoIl 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 sitoLa sperimentazione e il rilievoaereo si sono concentrate sulrilievo 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

Relatore

Note di presentazione

Presentare i nomi delle persone e delle realtà coinvolte in questa sperimentazione


Inquadramento cartografico del sitoInquadramentocartografico del sito:cartografia vettoriale regionale e ortofotoaerea


Inquadramento cartografico del sitoInquadramentocartografico 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 altezza2cm GSD

Aereo a 1800m altezza40cm GSD

Satellite5m 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, risultatimetrici e confrontiSTRUMENTAZIONE 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

QuadricotteroPHANTOM DJI

LumixDMC-GM1

SonyRX100 MIII

Canon SX260modif. NIR

MAPIR


APPROCCIO GEOMATICO: metodo di rilievo, risultatimetrici e confrontiFASE 1: RILIEVO TOPOGRAFICOPerché il rilievo topografico preliminare alle riprese aeree?1 – NECESSITA’ DI ORIENTALE E SCALARE IL MODELLO FOTOGRAMMETRICO DANDONE DEI REQUISITI METRICI2 – 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 Sensore17,3 x 13mm

- Dimensione Fotogramma4592x3448 pix

- Dimensione Sensore13,2x8,8mm







APPROCCIO GEOMATICO: metodo di rilievo, risultatimetrici e confrontiFASE 1: RILIEVO TOPOGRAFICOSi 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 30mScatto programmato: scatto ogni 2 secondiTempo di volo medio: 4 minutiVelocità di volo media: 3m al secondoArea rilevata: circa 1 ettaro

APPROCCIO GEOMATICO: metodo di rilievo, risultatimetrici e confrontiFASE 2: ACQUISIZIONE IMMAGINI AEREE – DATI DI VOLO



APPROCCIO GEOMATICO: metodo di rilievo, risultatimetrici e confrontiFASE 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


(dato da software)

Lungh. Focale mm:4,5

LUMIX DMC-GM1

Quota media di volo:36,68 mt.

(dato da software)

Lungh. Focale mm:12

MAPIR


(dato da software)



APPROCCIO GEOMATICO: metodo di rilievo, risultatimetrici e confrontiFASE 2: ACQUISIZIONE IMMAGINI AEREE – CONFRONTO SENSORI

SONY RX100 MIII



CANON SX260 MOD. NIR



LUMIX DMC-GM1


Lungh. Focale mm:12

MAPIR




APPROCCIO GEOMATICO: metodo di rilievo, risultatimetrici e confrontiFASE 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)


APPROCCIO GEOMATICO: metodo di rilievo, risultatimetrici e confrontiFASE 3: VALUTAZIONE GSD DELLE ORTOFOTO E CONFRONTIGSD (Ground Sample Distance) = la“quantità di terreno contenuta” in unpixel di ortofoto, essendo la misuradel pixel espressa in metri.

Esiste un rapporto di proporzionalitàinversa tra il valore GSD e ladefinizione di una immagine: quantopiù grande è il pixel tanto minore è ilsuo livello di dettaglio. Viceversa,quanto più piccolo è il GSD, tanto piùdettagliata è l’informazione contenutanel relativo pixel.

GSD = (s x H) / (f x L)


APPROCCIO GEOMATICO: metodo di rilievo, risultatimetrici e confrontiFASE 3: VALUTAZIONE GSD DELLE ORTOFOTO E CONFRONTI (su campione 10x10 cm)

CANON X260 mod. NIRGSD = 0,896666 cm/pixDim. Pix = 0.0015494 mm

SONY RX100 MIIIGSD = 0,581993 cm/pix

Dim. Pix = 0.00260928 mm

LUMIX DMC-GM1GSD = 1,00728 cm/pix

Dim. Pix = 0.00376729 mm

MAPIRGSD = 0,680429 cm/pixDim. Pix = 0.00120462 mm


APPROCCIO GEOMATICO: metodo di rilievo, risultatimetrici e confrontiRIPRESE CON TERMOCAMERA OPTRISNecessità di adattamento e configurazione del SAPR al payloadrichiesto. Effettuate riprese nadirali e oblique su tre filari specifici

Riprese oblique

Riprese nadirali


CONCLUSIONI DI CARATTERE FOTOGRAMMETRICO

FASE 3: CONSIDERAZIONI FINALI1 – l’area ricoperta è di superficie pari a circa 1 ha, è stata rilevata con voli della durata mediadi 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 allascala media di 1:100;

3 – L’impiego di sensori differenti necessita di un rilievo topografico preliminare per rendereconfrontabili i risultati;

4 – Il posizionamento dei marker tra i filari è indispensabile per controllare la modellazionedella superficie ma occorre prestare attenzione, durante il volo, alla ridondanza delle ripresesu 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 da drone -FIAPR

segmentazione in oggetti

NDVI=0.60

NDVI medio – livello gerarchico inferiore

NDVI medio -oggetti segmento di filare

Conclusioni di carattere multispettraleIl 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 circarendendo possibile una pianificazione mirata degli interventi sulla coltura.

VANTAGGIRisoluzioni (cm/pixel) superiori a quelle ottenibili da piattaforme satellitari ed aviotrasportatePianificazione interventi mirati con conseguente risparmio di tempo e denaroPossibilità 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


Sperimentazione: Agricoltura di Precisione da SAPR

Data & Analytics

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