Satelliti, il contributo al monitoraggio del ciclo dell'azoto

Laura Paladini è la vincitrice dell'AgroInnovation award con la tesi: "Satellite crop mapping to better understand agro-ecological zones"

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La vincitrice della categoria 'informatica in agricoltura'

Oggigiorno si sente parlare sempre più spesso di telerilevamento.
L'uso di droni, per controllare lo stato idrico e fitosanitario delle colture, è a portata di mano per gli agricoltori mentre le immagini satellitari, che coprono grandi estensioni territoriali, sono di enorme utilità per chi – come le istituzioni statali, europee e mondiali – deve monitorare l'attività agricola su larga scala.

Per esempio, le Regioni devono ogni anno regolare l'uso di fertilizzanti azotati e indirizzare gli agricoltori che esercitano la loro attività nelle Zone vulnerabili ai nitrati (ZVN), secondo quanto stabilito dalla Direttiva nitrati.
In Lombardia, le regole sono differenziate in sei zone agro-ecologiche, definite sulle base di fattori climatici e pedologici. Dove la falda acquifera è più superficiale si potrà usare meno fertilizzante azotato; dove piove di meno se ne potrà usare un po' di più.

Tuttavia l'impatto a livello regionale della fertilizzazione azotata sulla falda acquifera dipende anche da quante e quali colture sono presenti nell'area. L'impatto ambientale sarà molto diverso se tutti gli agricoltori di una stessa zona coltivano mais oppure erba medica, o ancora se durante l'inverno il suolo è coperto o lasciato a riposo. Perciò la disponibilità di una mappa delle colture disponibile, al termine della stagione estiva e di quella invernale, consentirebbe di adeguare le limitazioni imposte nelle ZVN anche a seconda del tipo di copertura del suolo. Il telerilevamento da satellite è stato proposto in più istanze come lo strumento ideale per realizzare tali mappe, da incrociare con dati di altro tipo. Per verificare l'ipotesi, è stato adottato un piccolo caso studio. 

 

Area di studio
L'area oggetto di questo caso studio

Una serie di immagini acquisite dal satellite Landsat-8 è stata testata per la mappatura delle colture dell'annata agraria 2015 nell'area della Muzza, in Lombardia. Il satellite acquisisce immagini con una risoluzione spaziale di 30 m ogni 15 giorni, nelle zone VIS-NIR-SWIR dello spettro elettromagnetico.
La frequenza con cui il satellite acquisisce immagini consente di creare, per ogni coltura, un "profilo temporale". Una curva, derivata da indici di vegetazione, che mostra quando la coltura comincia a crescere e quando viene raccolta, quando è il momento in cui raggiunge la massima quantità di biomassa, e così via.
Insomma, un descrittore della fenologia della coltura. Naturalmente non tutte le colture crescono nella stessa maniera perciò il profilo temporale consente di distinguerle e dunque di produrre una mappa della loro distribuzione sul territorio. 
 
Profilo temporale
Profilo temporale di una coltura e sue caratteristiche

L'indice di vegetazione NDVI, in questo studio, è stato usato per produrre i profili temporali poi impiegati nella classificazione eseguita con l'algoritmo Random Forest. L'accuratezza complessiva della classificazione, eseguita solo su parcelle agricole di una determinata dimensione minima, è risultata molto alta (98%), dando dunque una dimostrazione dell'enorme potenziale del telerilevamento da satellite per la mappatura delle colture.
Incrociando tale classificazione con la zonazione agro-ecologica utilizzata dalla Regione Lombardia, è emerso che la parte della Muzza inclusa nella zona "Pianura Centrale" e quella inclusa nella zona "Pianura Occidentale" hanno caratteristiche diverse in termini di coltivazioni.
Per esempio, la parte inclusa nella Pianura Centrale ha una percentuale maggiore di terreni non coltivati mentre nella parte appartenente alla Pianura Occidentale si registra una maggiore diffusione del mais e silomais. Nessuna differenza significativa è stata riscontrata nella diffusione delle colture azotofissatrici, presenti in basse percentuali in entrambi i casi (18% ca.). Differenze che possono avere un impatto significativo sul ciclo dell'azoto all'interno della singola zona agro-ecologica.

Questo piccolo caso mostra con chiarezza che è possibile utilizzare il telerilevamento da satellite per mappare le coltivazioni agricole. Inoltre, tale prodotto, rappresenterebbe un valore aggiunto per la gestione della fertilizzazione azotata nelle ZVN e più in generale per tutti i processi decisionali legati all'uso delle zonazioni agro-ecologiche.
Naturalmente ci sono ancora molti aspetti che vanno approfonditi, dall'accuratezza delle mappe prodotte prima della fine della stagione all'influenza delle terre abbandonate sul ciclo dell'azoto. Tuttavia i dati su cui lavorare non mancano: i nuovi satelliti Sentinel lanciati dall'Esa offrono grandi quantità di immagini che aspettano solo di essere analizzate e interpretate dagli esperti.

E allora, la disponibilità di strumenti per il monitoraggio del ciclo dell'azoto negli ecosistemi agrari a livello regionale… è solo questione di tempo.

Scarica la tesi completa
Per eventuali contatti: laura.paladini92@gmail.com

AgroInnovation Award è il premio di laurea istituito da Image Line in collaborazione con l'Accademia dei Georgofili al fine di promuovere la diffusione di approcci innovativi, strumenti digitali e l'utilizzo di internet in agricoltura.

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