PianetaPSR
screenshot del sito positive
Agricoltura di precisione

Innovazione, una nuova strategia di ricerca e innovazione: il caso del progetto POSITIVE, l'irrigazione 4.0 in Emilia-Romagna per un'agricoltura di precisione

Un progetto di ricerca industriale strategica finanziato dal Por-Fesr dell'Emilia-Romagna, finalizzato a ottimizzare l'uso dell'acqua nell'agricoltura attraverso una più ampia adozione dell'irrigazione di precisione.

La Regione Emilia-Romagna ha avviato a fine 2020 il percorso di definizione della propria Strategia di specializzazione intelligente in vista della nuova programmazione dei Fondi europei 2021-2027. I temi trattati hanno riguardato l'evoluzione della tecnologia, dei sistemi produttivi, dell'ecosistema regionale della ricerca, ma in particolare le nuove sfide di carattere globale, così come evidenziate dagli obiettivi della Politica di coesione 2021-2027 e dall'Agenda Onu 2030. Nella nuova Strategia sono state individuate 8 aree di specializzazione strategica: agroalimentare, edilizia e costruzioni, meccatronica e motoristica, industrie della salute e del benessere, industrie culturali e creative, innovazione nei servizi, digitale e logistica, energia e sviluppo sostenibile, turismo. In questo contesto la Regione Emilia-Romagna, con l'approvazione della Strategia di Specializzazione Intelligente 2021-27, ha deciso di proseguire il programma di investimenti 4.0 proprio per sostenere studi ed esperienze applicative e creare conoscenze e competenze che possano aprire nuove opportunità di sviluppo, rispondendo alle sfide di Agenda 2030.

Il progetto POSITIVE

Un esempio di eccellenza in tale ambito è rappresentato dal progetto POSITIVE, cofinanziato dai Fondi europei 2014-2020 della Regione Emilia-Romagna. Coordinato dal CIDEA (Centro Interdipartimentale per l'Energia e l'Ambiente dell'Università di Parma) con il coinvolgimento dei laboratori della Rete Alta Tecnologia, il progetto, in sinergia con partner pubblici e privati, dimostra come l'alta tecnologia applicata in agricoltura di precisione sia in grado di dare risposte sempre più sostenibili ad un settore in continua trasformazione. 

L'obiettivo del progetto è stato quello di realizzare un prototipo di sistema per l'irrigazione di precisione scalabile sull'intera regione e validato su colture diverse con uso di attrezzature irrigue evolute. 

Soluzioni per l'irrigazione di precisione e a rateo variabile sono state dimostrate da tempo in aziende agricole particolarmente vocate all'innovazione. Tali soluzioni, tuttavia, hanno faticato ad imporsi come pratica diffusa e a determinare un significativo impatto in termini di utilizzo ottimale dell'acqua e di sviluppo di una filiera di tecnologie interoperabili per l'irrigazione di precisione. 

Per questo motivo, attraverso il progetto POSITIVE sono state affrontate alcune delle principali difficoltà segnalate dai portatori di interesse ad avvio del progetto, tra cui la mancanza di dati direttamente fruibili, con frequenza e risoluzione adeguata per guidare le attività irrigue e colturali; la necessità di acquisire dati sensoriali puntuali delle colture ; la mancanza di interoperabilità tra tutti i componenti e sottosistemi per l'irrigazione e le difficoltà di programmazione delle attrezzature irrigue in campo per attuare procedure a rateo variabile.

infografica sull'acquisizione, trasferimento e scambio di dati e comandi standardizzati
Figura 1 - Acquisizione, trasferimento e scambio di dati e comandi standardizzati
 

Come mostrato nella figura 1., il sistema informativo POSITIVE è stato progettato per realizzare Protocolli Operativi Scalabili (POS), un insieme di procedure di acquisizione, trasferimento e scambio di dati e comandi standardizzate per favorire l'interoperabilità di dati e apparati per l'irrigazione di precisione. Tali procedure sono basate su standard pubblici ampiamente accettati, orientate ai servizi, e altamente scalabili. Nella figura è possibile vedere la struttura del sistema informativo POSITIVE e le comunicazioni che avvengono al suo interno. Il POSITIVE Server, al centro, svolge il ruolo di coordinatore interagendo con il SatService (un servizio web realizzato dal progetto in collaborazione con ARPAE) per ottenere le mappe satellitari di indici vegetativi, con IRRIFRAME per la raffinazione del consiglio irriguo in base alle mappe satellitari, con i sensori in campo e in vivo, con il dimostratore SAMS per la visualizzazione dei dati integrata in un cruscotto aziendale. Il sistema informativo ha inoltre il compito di fornire un servizio sia di consultazione verso gli utenti, sia operativo, comunicando direttamente con le macchine irrigatrici più avanzate.

Il POSITIVE Server è realizzato con tecnologie orientate alla elaborazione su cloud per essere altamente scalabile e reattivo. Utilizza il paradigma REST per comunicare con gli altri componenti del sistema informativo POSITIVE, in un'ottica orientata ai servizi. I dati scambiati adottano formati standard in ambito internet e non proprietari, come il GeoJSON utilizzato sia per le mappe satellitari sia per quelle di consiglio irriguo. POSITIVE integra nel modo più generale possibile sistemi IoT molto eterogenei per acquisizione di dati sensoriali dal campo. Alcuni sensori a terra o su pianta trasmettono dati in modalità push direttamente al POSITIVE Server. Altri trasmettono a server dedicati che effettuano elaborazioni preliminari e offrono in modalità pull i dati filtrati/aggregati al POSITIVE Server. Anche per quanto riguarda l'interazione con le macchine irrigatrici è stato utilizzato l'approccio orientato ai servizi, che ha permesso l'interazione con irrigatori semoventi con ala piovana o cannone, nonché con irrigatori a pivot di grandi dimensioni.

In questo contesto un ruolo chiave è giocato dai sistemi di telerilevamento, che permettono di ottenere informazioni ad elevata risoluzione spaziale e temporale sulla crescita delle colture e rendono possibile una gestione sostenibile degli agroecosistemi, massimizzando l'efficienza d'uso delle risorse e supportando l'agricoltura di precisione. I dati satellitari vengono utilizzati per calcolare indici di vegetazione, combinazioni algebriche tra due o più bande spettrali, utilizzati per stimare parametri biofisici (per es. superficie fogliare - LAI; coefficiente colturale - Kc, ecc.) che sono indicatori dello stato di sviluppo e salute della coltura. In particolare, è stato individuato l'Enhanced Vegetation Index (EVI) come miglior indice di vegetazione per la stima del coefficiente colturale di tutte le colture coinvolte nello studio (cipolla, mais, patata e pomodoro). Questo risultato è particolarmente vantaggioso sia perché sarà sufficiente calcolare un solo indice per tutte le colture sopraindicate, sia perché EVI, essendo meno sensibile di altri indici all'effetto del suolo e dell'atmosfera, può essere utilizzato efficacemente anche in condizioni ambientali diverse da quelle in cui è stato studiato.

Altro aspetto interessante del sistema è l'integrazione del consiglio irriguo a rateo variabile ottenuto tramite il sistema IRRIFRAME ideato dal CER Canale Emiliano Romagnolo. IRRIFRAME è un servizio di assistenza tecnica irrigua utilizzato da oltre 16.000 aziende agricole e attivo a livello nazionale in 16 regioni. In POSITIVE è stato arricchito con la possibilità di fornire una mappa di prescrizione del volume di adacquamento a rateo variabile in funzione della variabilità dello stato vegetativo delle colture rilevato da remoto tramite satellite o drone. Il rilievo da remoto dello stato biofisico della coltura e della sua variabilità spaziale nell'appezzamento viene integrato nel servizio IRRIFRAME attraverso due processi: (ì) assimilazione delle informazioni sullo stato vegeto-produttivo della coltura all'interno del bilancio idrico per un aggiustamento dello stesso attraverso la rimodulazione del coefficiente colturale (Kc); (ìì) valutazione della variabilità spaziale nell'appezzamento delle condizioni di sviluppo della biomassa per la definizione di una mappa di prescrizione con volumi irrigui differenziabili utilizzabile da macchine irrigue dotate di VRI (Variable Rate Irrigation).

Per l'integrazione degli indici vegetazionali nel calcolo della ricetta irrigua, sono stati analizzati circa 120 indici vegetativi rilevabili da satellite. Tra essi sono stati identificati come i più adatti allo scopo l'indice NDVI, per il suo ampio utilizzo, ed EVI, per la sua accuratezza nello stimare il coefficiente colturale per diverse colture diffuse in regione. Grazie al coordinamento dei flussi di dati realizzato dal server POSITIVE, IRRIFRAME genera un consiglio irriguo integrato dal dato satellitare, con l'aggiustamento del fabbisogno idrico alle reali condizioni di campo rilevate da remoto. In molti casi gli agricoltori emiliano-romagnoli non hanno a disposizione sistemi di distribuzione di acqua in grado di gestire mappe di prescrizione con volumi di adacquamento e/o fertirrigazione variabili. Nonostante questo, il miglioramento del consiglio irriguo/ fertirriguo conseguibile con l'integrazione dell'informazione relativa allo stato vegetativo e nutrizionale della coltura risulta comunque evidente ed utile per tutti gli operatori agricoli. Al fine di valutare l'effetto dell'utilizzo del sistema POSITIVE-IRRIFRAME sul consumo di acqua, è stato calcolato il risparmio idrico complessivo che si avrebbe avuto per l'anno 2020 su tutta l'Emilia-Romagna per le colture di mais e pomodoro applicando l'irrigazione 4.0 con integrazione del dato satellitare (figura 2). In termini di fabbisogno idrico, l'integrazione con i dati da satellite può portare ad un risparmio fino al 5% dell'evapotraspirazione effettiva (ETe), che corrisponde a quasi 170 metri cubi d'acqua per ettaro: considerando le superfici occupate dalle due colture in esame per l'anno 2020 (circa 90.000 ha per il mais e 23.000 ha per il pomodoro), i massimi risparmi si hanno dove si trovano le maggiori superfici coltivate per un valore complessivo potenziale di circa 20 milioni di metri cubi di acqua. Per dare un valore economico, se tali volumi dovessero essere resi disponibili agli agricoltori attraverso invasi, considerando un costo medio per la realizzazione di tali bacini di 1 euro per metro cubo, si avrebbe un costo di circa 20 milioni di euro.

grafico sul risparmio idrico potenziale per provincia in Emilia-Romagna con l'applicazione del protocollo POSITIVE-IRRIFRAME
Figura 2: Risparmio idrico potenziale per provincia in Emilia-Romagna con l'applicazione del protocollo POSITIVE-IRRIFRAME
 

Nell'ottica di un'agricoltura 4.0 fondata sui dati. Il servizio IRRIFRAME, a sua volta, è in grado di erogare per gli appezzamenti della regione un consiglio irriguo migliorato perché costantemente calibrato con dati sensoriali ed eventualmente a rateo variabile.

Macchine operatrici - si riduce una complessità per l'agricoltura

Inoltre, con il fine di collaudare i protocolli operativi di POSITIVE e renderli adeguati al mondo agricolo, CRPA Lab ha realizzato un sistema informativo geografico denominato Smart Agronomic Management System (SAMS). SAMS consente la gestione ed il monitoraggio delle attività irrigue e l'accesso, grazie ai servizi istituzionali disponibili in rete, a molteplici fonti di dati spazio-temporali. L'utilizzatore finale di SAMS è l'agricoltore che, attraverso questa piattaforma, è in grado di pianificare le attività agronomiche sulla base di dati concreti. La prospettiva è dunque quella di acquisire in maniera automatica le mappe del consiglio irriguo di precisione, a rateo variabile, e trasformarle in mappe di prescrizione che trasmesse agli irrigatori di ultima generazione (Agricoltura 4.0) consentano di variare sia la portata longitudinale sia quella trasversale. 
Un aspetto molto interessante legato al progetto è l'integrazione nelle centraline di macchine irrigatrici in commercio di alcuni componenti software di interfacciamento con attrezzature irrigue 4.0. Infatti, si stima che nel corso del 2021, grazie all'upgrade o sostituzione di centraline, circa 300 macchine irrigatrici in Emilia-Romagna siano state abilitate ad applicare irrigazione a rateo variabile, in relazione alle possibilità di differenziazione della adacquata offerte dalla macchina. Il sistema informativo geografico SAMS è un pannello di controllo delle attività irrigue nel contesto di un'azienda agricola e allo stesso tempo un dimostratore digitale delle procedure e delle potenzialità dell'irrigazione di precisione. I dati sulle irrigazioni possono essere salvati, correlati con le rese e consultati nelle stagioni successive, estraendo quindi valore dai dati raccolti. L'eterogeneità nelle attrezzature irrigue e nelle tipologie sensoriali continua ad essere una sfida per l'interoperabilità dei sistemi in ambito irriguo. Il rischio per l'agricoltore è di trovarsi intrappolato in sistemi proprietari o con apparati che non comunicano e che non si possono interfacciare tra loro. 

In conclusione, POSITIVE ha considerato a largo spettro anche il tema della sensorialità in campo, tra cui sensori innovativi come quelli per il monitoraggio delle emissioni gassose di campo. Considerando che le piante emettono una grande quantità di Composti Organici Volatili (VOC) la cui tipologia e concentrazione variano a seconda del loro stato di crescita e degli stress subiti, i sensori chimici permettono di monitorare tali composti gassosi e, grazie ai costi di produzione contenuti e alla possibilità di essere prodotti su larga scala, rappresentano un efficacie strumento integrabile in sistemi di monitoraggio portatili. In POSITIVE, il monitoraggio delle emissioni gassose è stato sperimentato in un campo di pomodoro da industria. Applicando una trattazione dati più semplice rispetto a quella dei sistemi olfattivi commerciali e confrontando le informazioni fornite dai sensori di gas con le operazioni colturali e i dati meteo, si è evidenziata la dipendenza delle emissioni gassose dalla necessità idrica/metabolica del sistema suolo pianta atmosfera. Negli ultimi due anni si è assistito peraltro ad un crescente impiego di sistemi sensoriali a terra a supporto dell'irrigazione, come confermato dalle aziende partner del progetto. POSITIVE ha costruito soluzioni aperte adatte a tutte le tipologie di sensori e sviluppato una procedura di integrazione dei sensori basata su una ontologia e su librerie di modellazione che stanno emergendo come potenziali standard a livello internazionale. In tutti i casi e con diverse soluzioni tecnologiche i dati sensoriali vengono acquisiti e inoltrati a IRRIFRAME per un consiglio irriguo ulteriormente migliorato sulla base di informazioni puntuali e sito-specifiche.

In un contesto effervescente e di crescente sensibilità da parte degli utenti, nuovi sensori e nuove macchine irrigatrici stanno per essere proposti sul mercato. Nuovi satelliti stanno per essere lanciati, con risoluzioni più elevate e ulteriori bande spettrali. Abbiamo visto come i cambiamenti climatici e la necessità di preservare le risorse naturali e in particolare di ottimizzare l'utilizzo della risorsa acqua impongono l'utilizzo sempre maggiore di soluzioni innovative che possano essere di facile applicazione ma che nello stesso tempo mettano a sistema l'enorme database di cui disponiamo a vari livelli e che sono una fonte essenziale di informazioni per poter sviluppare attività sempre più specifiche. In questo contesto il progetto POSITIVE ha dimostrato il valore dell'interoperabilità e dei protocolli standard aperti e documentati, ma ha anche evidenziato la necessità sempre maggiore di rendere disponibili e comunicabili tra loro la mole di dati ed informazioni che ad oggi sono disponibili a diversi livelli e che se messe assieme rappresentano un pool di informazioni strategiche per far fronte e dare risposte alle varie esigenze del mondo agricolo ma soprattutto per puntare ad un'agricoltura 4.0 con evidenti benefici per il conseguimento degli obiettivi di sviluppo sostenibile.

 
Vai al sito del progetto POSITIVE.
 
 

Stefano Caselli, Stefano Anconelli (CER), Stefano Amaducci (CRAST), Fabio Mantovani (Terra & Acqua Tech), Paolo Mantovi (CRPA), Magda C. Schiff (CRPA), Maria Valentina Lasorella (Postazione Rete Rurale E-R)

 
 

PianetaPSR numero 110 febbraio 2022