Cyfrowy bliźniak winnicy wspierający decyzje winiarzy

Wprowadzenie

iVine to dwuletni projekt (2023-2024), finansowany w ramach PROW Regionu Toskania 2014-2020 – poddziałanie 16.2, którego celem jest testowanie, walidacja i weryfikacja aplikacji DSS na urządzenia mobilne, służącej do racjonalizacji zarządzania winnicą oraz optymalizacji i ograniczenia stosowania środków ochrony roślin, w celu zmniejszenia wpływu na środowisko, ochrony zdrowia pracowników i mieszkańców obszarów wiejskich oraz obniżenia kosztów zarządzania gospodarstwami rolnymi.

Projektowi przewodniczy Agrobit, przy udziale Uniwersytetu Florenckiego (DAGRI), Instytutu Bioekonomii Krajowej Rady ds. Badań Naukowych (CNR-IBE), CIA (Konfederacji Włoskich Rolników Toskanii), Mulini di Segalari (winnicy w Bolgheri), Felsina (winnicy w Chianti Classico) oraz regionalnego gospodarstwa demonstracyjnego Tenuta di Cesa.

Cele projektu

Cele projektu można podsumować następująco: 1. Walidacja aplikacji DSS na urządzenia mobilne, zdolnej wspierać agronoma/rolnika w szybkiej i obiektywnej ocenie rozwoju części nadziemnej upraw drzewiastych, w szczególności winorośli, w celu optymalizacji zabiegów zarządzania koroną oraz dystrybucji nakładów agronomicznych, takich jak środki ochrony roślin, ale również nawozy dolistne i woda 2. Monitorowanie skuteczności zabiegów, zużycia środków ochrony roślin i wody wykazanego dzięki użyciu aplikacji, a także kosztów niezbędnych na poszczególnych etapach do osiągnięcia wyznaczonych celów; 3. Ocena efektywności relacji kosztów do korzyści oraz wpływu środowiskowego i ekonomicznego wynikającego z zastosowania aplikacji i zoptymalizowanej dystrybucji środków ochrony roślin, w porównaniu z tradycyjnym zarządzaniem, w gospodarstwach winiarskich o różnej wielkości oraz w różnych regionalnych obszarach uprawy winorośli.

Jak działa aplikacja iAgro

Aplikacja iAgro, zainstalowana na smartfonie, umożliwia operatorowi wykonanie skanu 3D badanej rośliny w sposób automatyczny, szybki i prosty. Podczas tego procesu aplikacja wykorzystuje kamerę smartfona oraz algorytmy rzeczywistości rozszerzonej (AR) do pozyskania wszystkich niezbędnych informacji, korzystając również z wbudowanych czujników ruchu i pozycji smartfona. Czujniki te pozwalają aplikacji rejestrować zmiany pozycji i orientacji urządzenia podczas skanowania. Ponadto aplikacja georeferencjonuje wszystkie zebrane informacje, czyli przypisuje zarejestrowane dane do położenia każdej rośliny. Po zakończeniu akwizycji, dzięki algorytmom sztucznej inteligencji (AI) i wizji komputerowej (CV), aplikacja automatycznie zwraca parametry biometryczne korony (grubość, wysokość, objętość, LAI) oraz uogólnione parametry winnicy (LWA, TRV) (Rys. 1). Informacje te są następnie automatycznie wykorzystywane do generowania map aplikacyjnych optymalizujących zabiegi ochrony roślin, ograniczając wpływ na środowisko, chroniąc zdrowie ludzi i poprawiając ekonomiczną trwałość gospodarstw winiarskich.

Rys.1: Zrzuty ekranu aplikacji iAgro, testowanej i zwalidowanej w ramach projektu iVine.

Pomiary terenowe

Po zidentyfikowaniu winnic testowych przystąpiono do podziału winnicy na 2 równe obszary, w których prowadzono monitoring (Rys.2). Na jednej działce zastosowano tradycyjne zabiegi ochrony roślin gospodarstwa w stałej dawce, na drugiej – zabiegi w dawce zmiennej, zgodnie z sugestiami aplikacji iAgro.

Rys.2: Winnice testowe wraz z ich powierzchnią i lokalizacją.

W trakcie realizacji projektu zastosowano różne technologie i metodologie w celu przeprowadzenia analiz walidacyjnych aplikacji. W szczególności pomiary przeprowadzono w trzech różnych fazach fenologicznych.

Agrobit monitorował dziesięć roślin próbnych dla każdego obszaru badawczego za pomocą aplikacji iAgro. Dzięki aplikacji możliwe było wygenerowanie map wigoru winnicy poprzez obliczenie wskaźników wegetacyjnych, takich jak LAI (Leaf Area Index), a także parametrów biometrycznych korony, w tym wysokości, grubości i objętości (Rys. 3).

Rys.3: Pomiar wykonany aplikacją iAgro na rzędzie winnicy odmiany Sangiovese.

Aby ocenić skuteczność aplikacji i ją zwalidować, uzyskane wyniki skorelowano z danymi pozyskanymi przez CNR-IBE oraz Uniwersytet Florencki (DAGRI): – CNR-IBE wykorzystał drona z czujnikiem multispektralnym oraz RGB/LiDAR do generowania map wigoru za pomocą wskaźników wegetacyjnych (NDVI) oraz szacowania parametrów biometrycznych rozwoju liści, takich jak wysokość, grubość i objętość korony, na podstawie wygenerowanych chmur punktów 3D; – Uniwersytet Florencki (DAGRI) zastosował bliski czujnik multispektralny (OptRx) zamontowany na quadzie do oceny wigoru za pomocą wskaźników wegetacyjnych (NDVI, NDRE), oraz czujnik LiDAR do oceny parametrów biometrycznych rozwoju liści, w tym wysokości, grubości i objętości korony. Do precyzyjnej geolokalizacji zebranych danych wykorzystano odbiornik D-GNSS.

Dla każdej z zastosowanych metod (smartfon, dron, quad) utworzono mapy wigoru i mapy biometryczne w trzech klasach odzwierciedlających cechy roślin na obszarze testowym. Z wyników wyłoniły się dobre korelacje między parametrami wigoru i biometrycznymi uzyskanymi trzema zastosowanymi metodami, co świadczy o wiarygodności aplikacji w szacowaniu tych parametrów.

Na koniec, wykorzystując dane pochodzące ze smartfonów, opracowano mapy aplikacyjne optymalizujące zabiegi ochrony roślin, z podziałem na dwie/trzy strefy pozwalające na wykonanie zabiegów w dawce zmiennej (VRT) (Rys. 4).

Rys.4: Mapa aplikacyjna wygenerowana przez aplikację iAgro w trzech fazach fenologicznych w dwóch strefach, z odpowiednimi wartościami zastosowania w dawce zmiennej (w odcieniach niebieskiego) oraz zastosowania w dawce stałej (w kolorze pomarańczowym) na działce kontrolnej.

Skuteczność zabiegów w dawce zmiennej (VRT)

Aplikacja iAgro umożliwia uzyskanie map aplikacyjnych do zabiegów ochrony roślin, które można wgrać bezpośrednio do maszyn VRT. W trakcie projektu, w celu zweryfikowania efektywności relacji kosztów do korzyści oraz wpływu środowiskowego i ekonomicznego wynikającego z zastosowania aplikacji, przeprowadzono testy oceniające różnice między tradycyjnymi zabiegami gospodarstwa (w stałej objętości) a zabiegami zalecanymi przez aplikację iAgro (w dawce zmiennej). Testy przeprowadzono za pomocą papierków hydroczułych oraz produktu znacznikowego, zgodnie z międzynarodową znormalizowaną procedurą (ISO 22522).

W szczególności testy obejmowały: 1. Ilościową ocenę rozprowadzonej cieczy w różnych fazach fenologicznych i rozwojowych; 2. Ilościową ocenę osadu za pomocą znacznika podczas oprysku, a następnie pobranie liści i weryfikację powierzchni/osadu.

Wnioski

Pierwszy rok eksperymentów w ramach projektu iVine przyniósł obiecujące wyniki, stanowiąc istotny krok w kierunku optymalizacji zarządzania winnicą, w szczególności w zakresie ograniczenia stosowania środków ochrony roślin i wpływu na środowisko.

Zaletą korzystania z aplikacji jest niskokosztowe monitorowanie w czasie parametrów biometrycznych roślin, dzięki dostępnym szczegółowym mapom, które pozwalają podejmować świadome decyzje dotyczące winnicy, oparte na danych cyfrowych, obiektywnych i archiwizowanych w czasie.

W świetle sukcesów osiągniętych w pierwszym roku, kolejny rok eksperymentów skupi się na zastosowaniu tych samych protokołów w oczekiwaniu na wyniki końcowe. Ciągła współpraca między wszystkimi partnerami projektu zapewni zintegrowane i multidyscyplinarne podejście, przyczyniając się w ten sposób do promowania trwałości środowiskowej i ekonomicznej w sektorze winiarskim.

Odwiedź stronę projektu: https://ivine.ciatoscana.eu/

Poznaj aplikację iAgro i wypróbuj ją za darmo!