Ottimizzazione di rilievi UAV ed elaborazioni di dati termici per l'analisi dello stress idrico delle colture

Safeguard of the planet’s water resources, concurrently with population growth and climate crisis, is gaining recently more and more importance. Precision agriculture techniques provide useful information and possible solutions in order to optimize the usage of water and nutrients on croplands. In recent years many techniques have been developed; those techniques are based on systems of acquiring images remotely to analyze cultivations. This thesis focuses on the study of the crop water stress of a vineyard in Olfino (MN) and a pear orchard in Arcagna (LO), through UAV thermal infrared surveys. The aim of the thesis is to analyze the results obtained calculating the crop water stress index (CWSI) with different methods in order to define the more reliable one to be used in the future. This work shows the different tests carried out on the targets (about their materials and positions) used to reproduce the canopy temperature, ultimately identifying the necessity to prepare bigger targets; meanwhile analysis of the temperature corrections has been carried out. The trials carried out and the comparison with previous surveys allowed to identify best practices in performing surveys, in thermal image preprocessing, in creating ortophotos and digital models of crop rows and ultimately in calculating CWSI with appropriate corrections. In order to obtain DSM and ortophoto suitable for the extraction of the crop rows, an optimization of the photogrammetric process has been considered. To have maximum reliability on thermal data, best practices in UAV surveys with thermal cameras has been studied. In the introduction (Cap.1) is explained how the precision agriculture can bring advantages on water management. Subsequently (Cap.2), the main characteristics of remote sensing and photogrammetry are illustrated; accounting also for the importance of UAV surveys in agriculture. Afterwards (Cap.3), instruments used, and procedures followed during the work are described. Cap.4 focuses on the different ways of obtaining photogrammetric products starting from thermal frames. The field masking used on the ortophotos to separate the temperatures of the plants from the temperature of the soil is described later. Statistical tests are performed on the results obtained before, to highlight the most reliable method and to define best survey practices.

La salvaguardia delle risorse idriche del pianeta, contestualmente ad aumento demografico e crisi climatica, sta acquisendo recentemente rilevanza sempre maggiore. Le tecniche di agricoltura di precisione forniscono informazioni utili e possibili soluzioni per ottimizzare l’utilizzo di acqua e di nutrienti sui terreni agricoli. Negli ultimi anni, a supporto di questa metodologia sono state sviluppate diverse tecniche basate su sistemi di acquisizione di immagini da remoto per analizzare le coltivazioni. Il lavoro proposto si concentra sullo studio dello stress idrico di un pereto nel lodigiano e di un vigneto nel mantovano, effettuando rilievi UAV nell’infrarosso termico. Si vogliono analizzare i risultati ottenuti calcolando un indice di stress idrico colturale (CWSI) sui filari della coltura con vari metodi per poter definire quello più affidabile da utilizzare in futuro. L’elaborato mostra le prove effettuate su diversi target (per materiali e posizione) per riprodurre la temperatura della foglia, individuando la necessità di predisporre target di dimensioni maggiori, analizzando successivamente le correzioni da effettuare sulle temperature ricavate da drone. Gli esperimenti effettuati e i confronti con i rilievi precedenti hanno consentito di individuare i materiali e le procedure ottimali per effettuare rilievi, per il preprocessing delle immagini termiche, per la costruzione di ortofoto termiche e di modelli digitali dei filari, e infine per il calcolo del CWSI con le opportune correzioni. Per questo tipo di applicazioni viene considerata un’ottimizzazione del processo fotogrammetrico per ottenere DSM e ortofoto più idonee e affidabili per l’estrazione dei filari. Per avere poi la massima affidabilità del dato termico, vengono studiate le migliori pratiche di utilizzo delle camere termiche da UAV da applicare in rilievi futuri. Nella parte introduttiva del testo (Cap.1) vengono illustrati i benefici dell’agricoltura di precisione sulla gestione idrica. Successivamente (Cap.2), vengono esposte le tecniche principali costituite dal telerilevamento e dalla fotogrammetria; viene anche spiegata l’importanza dei rilievi UAV utilizzati in agricoltura. Vengono poi (Cap.3) illustrati gli strumenti utilizzati durante il lavoro e le procedure seguite per le acquisizioni di dati in campo. La fase di calcolo e di elaborazione seguita (Cap.4) analizza diversi modi di ottenere prodotti fotogrammetrici sulla base di fotogrammi termici. Viene poi illustrata l’applicazione di una mascheratura alle ortofoto per separare i valori di temperatura dei filari da quelli del suolo, da cui ricavare i valori dell’indice di stress idrico. I risultati ottenuti vengono sottoposti ad analisi statistiche (Cap.5) per evidenziare il metodo di elaborazione più affidabile e definire pratiche di rilievo ottimali e semplificate.