Agrivoltaico e drones: como monitorizar a produção agrícola sob os painéis solares

Introdução

Por agrivoltaico entende-se a utilização de um terreno com um duplo objetivo: produzir energia fotovoltaica, graças à instalação de painéis solares, e desenvolver atividade agrícola. As vantagens de uma instalação agrivoltaica variam consoante a cultura escolhida. Por exemplo, no caso do tomate, a instalação dos painéis garante um maior sombreamento que reduz os efeitos negativos das temperaturas extremas; outro exemplo é o arroz, uma cultura que exige muita água e que poderá beneficiar das zonas de sombra com efeito “refrescante”.

Trata-se de uma solução inovadora que permite combinar a produção de eletricidade com a produção agrícola, algo que poderíamos considerar uma solução vantajosa para o agricultor. No entanto, a introdução de uma cobertura parcial de painéis solares altera de forma significativa as condições microclimáticas do campo: radiação solar disponível, temperatura do solo, humidade e distribuição da água.

Para compreender e otimizar estes efeitos, os drones permitem recolher dados de alta precisão sobre o estado fisiológico das culturas e sobre as variações microclimáticas geradas pela presença dos painéis, oferecendo assim um apoio concreto às decisões agronómicas.

O drone: os olhos ao serviço do técnico e do agricultor

Um drone equipado com sensores RGB e câmara térmica é uma ferramenta decisiva para analisar em profundidade o estado da instalação agrivoltaica (Figura 1). Através de voos programados, o iDrone é o serviço da Agrobit que permite adquirir informações valiosas de forma rápida e com elevada precisão. As imagens recolhidas durante o voo são processadas com software dedicado e algoritmos desenvolvidos pela equipa, produzindo mapas temáticos úteis para o acompanhamento da plantação arbórea e do sistema energético.

Fig.1: Pomar de citrinos numa instalação agrivoltaica experimental (CIHEAM Bari).

Graças a esta abordagem, o agricultor não precisa de se limitar a observar o campo “a olho nu”, podendo contar com uma análise objetiva e detalhada baseada em dados mensuráveis.

Em particular, o iDrone permite:

• Monitorizar o desenvolvimento das culturas sob os painéis solares, avaliando diferenças de vigor e crescimento entre áreas em pleno sol e áreas sombreadas;
• Detetar precocemente stress hídrico ou térmico, fundamentais num contexto agrivoltaico onde as condições ambientais são heterogéneas;
• Criar mapas temáticos que apoiam escolhas agronómicas direcionadas, como a irrigação e a gestão de recursos específica para cada local.

Levantamento RGB e térmico através do modelo 3D

O caso de estudo é um pomar de citrinos cultivado no sul de Itália, com uma instalação fotovoltaica presente simultaneamente em algumas filas. Em concreto, os painéis estão montados a uma altura de cerca de 4 metros e cobrem a zona central do pomar. Esta informação preliminar é essencial para a análise dos dados. Tratando-se de uma plantação arbórea, é fundamental concentrar-se na correta extração de dados da copa. As imagens RGB permitem criar um ortomosaico em cor real a partir do qual é possível observar a heterogeneidade da instalação e, durante o processamento das imagens aéreas, é também construída a nuvem de pontos 3D, ou seja, um gémeo digital, do campo. A Figura 2 mostra uma perspetiva 3D do pomar de citrinos, com uma excelente profundidade de pontos, essencial para as avaliações sob os painéis fotovoltaicos.

Fig.2: Modelo tridimensional do pomar de citrinos.

Graças a algoritmos dedicados, é possível extrair a copa vegetada (Figura 3a) de cada citrino individual e calcular os seus parâmetros biométricos, inclusive para as plantas situadas sob os painéis. Por dados biométricos em agricultura entende-se todas as informações mensuráveis e quantificáveis relativas às características físicas, fisiológicas ou comportamentais das plantas, por exemplo: densidade (Figura 3b), altura e espessura (Figura 3c) e volume da copa (Figura 3d) a partir de imagens RGB, e temperatura média a partir de imagens térmicas (Figura 3e).

Fig.3: Nuvem de pontos 3D RGB da copa (a), densidade da copa (b), altura e espessura da copa (c), volume da copa (d), nuvem de pontos 3D térmica da copa (e).

Ao espacializar estes dados, extraídos planta a planta de forma automatizada por algoritmos de visão computacional e IA, é possível obter dois índices em particular:

• TRV (Tree Row Volume): representa o volume da copa por hectare, ou seja, quantifica a quantidade de biomassa presente num hectare da parcela. Na Figura 4 é apresentado o dado de cada planta da qual foi previamente extraída a copa. Graças às técnicas de espacialização dos dados, é possível obter um mapa de zonamento (Figura 5). A importância deste mapa reside em oferecer uma visão geral do campo de relance e constitui a base para a elaboração de mapas de prescrição. O objetivo principal é otimizar a distribuição de insumos e estimar a densidade vegetativa.

Fig.4: Análise pontual do TRV (Tree Row Volume) por planta de citrinos.

Fig.5: Mapa do índice TRV (Tree Row Volume) de um pomar de citrinos em agrivoltaico.

• CWSI (Crop Water Stress Index): mede o estado de stress hídrico das culturas, derivado principalmente da temperatura foliar em relação à do ar. Também aqui, a Figura 6 identifica o stress hídrico planta a planta. O valor individual foi depois espacializado para obter um mapa do campo (Figura 7). O objetivo é avaliar as necessidades de irrigação e gerir a água de forma mais eficiente.

Fig.6: Análise pontual do CWSI (Crop Water Stress Index) por planta de citrinos.

Fig.7: Mapa do índice CWSI (Crop Water Stress Index) de um pomar de citrinos em agrivoltaico.

Conclusões

O levantamento realizado permitiu obter uma análise detalhada do pomar de citrinos na instalação agrivoltaica, aprofundando as características da copa das plantas, inclusive sob os painéis fotovoltaicos. Isto foi possível graças à utilização de drones para a aquisição de dados a baixa altitude, capazes de gerar modelos 3D da parcela, que permitem superar as dificuldades da análise 2D ou por satélite, que não permitiria analisar as culturas sob os painéis. Os mapas produzidos são fundamentais para que o agricultor tome decisões informadas e intervenha de forma direcionada. Neste caso de estudo, em que estão presentes diversas variedades de citrinos em diferentes fases de crescimento, foi possível constatar que, na zona mais a norte do campo, se manifesta um elevado stress hídrico e também um baixo vigor da copa. Na zona onde estão instalados os painéis fotovoltaicos, a situação é predominantemente de vigor médio e um nível médio de stress hídrico. Mais especificamente, existem alguns pontos com plantas de vigor claramente reduzido e elevado stress. Pelo contrário, a zona mais à direita do campo é a que apresenta as melhores condições. A equipa da Agrobit sabe que as instalações agrivoltaicas representam uma grande oportunidade para os agricultores. Por isso, graças ao serviço iDrone, podemos apoiar as suas decisões agronómicas e melhorar o uso de recursos no campo. Um agradecimento ao CIHEAM de Bari pela disponibilidade em realizar o levantamento na sua instalação agrivoltaica experimental.