Calcolo dell'Indice di area fogliare (LAI) e del contenuto di clorofilla (SPAD) da immagini UAV
Nella diagnostica agronomica moderna, la valutazione dello stato di salute e del potenziale fotosintetico di una coltura si fonda…
Introduzione: i due parametri cardinali della fisiologia vegetale
Nella diagnostica agronomica moderna, la valutazione dello stato di salute e del potenziale fotosintetico di una coltura si fonda sul monitoraggio di due parametri fisiologici cardinali: l'Indice di Area Fogliare (Leaf Area Index - LAI) ed il Contenuto di Clorofilla (misurato tradizionalmente con l'indice SPAD).
- L'Indice di Area Fogliare (LAI): È un parametro adimensionale definito come la superficie fogliare totale per unità di superficie di terreno (m2 foglie / m2 terreno). Il LAI quantifica la densità della canopia, la capacità di intercettazione della radiazione fotosinteticamente attiva (PAR) ed il consumo idrico traspirativo della coltura.
- Il Contenuto di Clorofilla (SPAD): La clorofilla a e b è il pigmento fondamentale responsabile della fotosintesi clorofilliana. Poiché oltre il 75% dell'azoto organico presente nella foglia è incorporato nelle proteine dei cloroplasti (principalmente l'enzima RuBisCO), il livello di clorofilla costituisce un indicatore diretto dello stato nutrizionale azotato della pianta.
Tradizionalmente, la misurazione del LAI e dello SPAD richiedeva strumenti manuali costosi e distruttivi (cepanometri, planimetri, clorofillometri portatili SPAD-502) che permettevano il campionamento di poche foglie per ettaro. Oggi, i droni della flotta ITALDRONI consentono di stimare ed estrapolare i valori di LAI e SPAD in modo continuo e non distruttivo su centinaia di ettari.
In questo articolo analizzeremo i modelli matematici e le frequenze spettrali multispettrali impiegate per il calcolo remoto di LAI e SPAD tramite droni.
1. la modellazione dell'Indice di area fogliare (LAI) da immagini multispettrali UAV
Il calcolo del LAI da piattaforma aerea si basa sulla relazione tra la densità della canopia e l'estinzione della luce solare che attraversa gli strati fogliari, regolata dalla Legge di Beer-Lambert:
dove I0 è la radiazione solare incidente sopra la canopia, I è la radiazione trasmessa al suolo e k è il coefficiente di estinzione fogliare.
[ Radiazione Solare Incidente I0 ]
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─── [ Strato Fogliare Superiore ] ─── (Assorbimento e Riflettanza NIR)
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─── [ Strato Fogliare Inferiore ] ─── (Riflettanza Red Edge)
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[ Radiazione Trasmessa al Suolo I ] ───> Calcolo LAI tramite Legge di Beer-Lambert
La formulazione degli indici spettrali per il LAI
A causa della saturazione dell'NDVI per valori di LAI > 3, gli algoritmi impiegati da ITALDRONI utilizzano combinazioni non lineari e trasformazioni basate sulla banda Red Edge e sul canale Infrarosso Vicino (NIR):
- Indice EVI (Enhanced Vegetation Index):
L'EVI corregge l'influenza del fondo del suolo e degli aerosol atmosferici, mantenendo una sensibilità elevata anche in canopie ad alta densità (LAI > 5).
- Indice MCARI (Modified Chlorophyll Absorption in Reflectance Index):
2. la stima remota del contenuto di clorofilla (SPAD equivalente)
Il clorofillometro manuale SPAD-502 misura la trasmittanza della foglia a due lunghezze d'onda: 650 nm (massimo assorbimento della clorofilla) e 940 nm (assorbimento nullo, usata come riferimento strutturale).
A bordo dei droni ITALDRONI, la stima del valore SPAD-Equivalente su scala di campo viene eseguita incrociando la riflettanza della banda Red Edge (705-740 nm) e della banda Verde (560 nm):
[ Banda Red Edge (705-740 nm) ] + [ Banda NIR (840 nm) ] ---> [ Modello Regressione PLSR ] ---> [ Mappa SPAD-Equivalente (g/m²) ]
Il modello NDRE-SPAD
L'indice NDRE (Normalized Difference Red Edge) mostra una correlazione lineare elevata (R2 > 0,91) con le letture SPAD effettuate a terra su mais, frumento, riso e pomodoro:
dove α e β sono coefficienti di calibrazione empirici tarati da ITALDRONI mediante campionamento di calibrazione sul campo.
+-----------------------------------------------------------------------------------+ | Parametro Fisiologico | Indicatore Tradizionale Terra | Indice Multispettrale UAV | +-----------------------------------------------------------------------------------+ | Area Fogliare (LAI) | Cepanometro Manuale (Pochi m²)| Indice EVI / OSAVI (Intero Campo)| | Clorofilla / Azoto (SPAD)| Clorofillometro SPAD-502 | Indice NDRE / Clorofilla RedEdge| | Velocità Campionamento | 50 foglie / ora (Distruttivo) | 100 ettari / 20 min (Digitale) | +-----------------------------------------------------------------------------------+
3. applicazioni agronomiche e mappe di prescrizione VRA
L'integrazione delle mappe LAI e SPAD generate da ITALDRONI consente l'esecuzione di interventi agronomici di precisione:
[ DATASET MULTISPETTRALE UAV ]
│ ┌──────────────────────────────────────────────┴──────────────────────────────────────────────┐ ▼ ▼
[ MAPPA LAI (Densità Biomassa) ] [ MAPPA SPAD (Concentrazione Azoto) ]
│ │
└──────────────────────────────────────┬──────────────────────────────────────┘
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[ INDICE DI NUTRIZIONE AZOTATA (NNI) ]
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[ MAPPA PRESCRIZIONE CONCIMAZIONE VRA ]
- Calcolo dell'Indice di Nutrizione Azotata (NNI): Incrociando il valore del LAI (biomassa accumulata) con il valore SPAD (concentrazione di azoto per unità fogliare), l'agronomo calcola l'indice NNI (NNI = Nattuale / Ncritico). Se NNI < 1, la coltura è in carenza azotata ed il sistema genera la mappa VRA di concimazione correttiva.
4. validazione sul campo e servizi ITALDRONI
La validazione dei modelli di stima LAI e SPAD costituisce un punto d'eccellenza nei servizi erogati da ITALDRONI. Sotto la supervisione di Dimitri Albino (pilota professionale certificato EU-STS con abilitazione BVLOS), ogni sorvolo multispettrale ad alta risoluzione viene preceduto dalla calibrazione radiometrica con pannelli target a terra e dal controllo a campione con clorofillometri SPAD.
Approfondimento tecnico: formulazione e derivazione degli indici MCARI e OSAVI per il LAI
La misurazione del LAI tramite droni richiede l'eliminazione dell'effetto di riflettanza del suolo sottostante, specialmente durante i primi stadi di sviluppo vegetativo quando la chioma non copre interamente la fila. Per superare questa limitazione, gli algoritmi sviluppati per i droni ITALDRONI integrano la formulazione combinata MCARI/OSAVI:
L'indice OSAVI (Optimized Soil-Adjusted Vegetation Index) calibra la riflettanza nell'infrarosso vicino attenuando il rumore di fondo del terreno argilloso o organico. Rapportando l'indice MCARI all'indice OSAVI, il modello ottiene una risposta puramente sensibile alla concentrazione di clorofilla e al valore del LAI, indipendente dalle variazioni di illuminazione e dal colore del suolo:
[ Immagine Multispettrale RAW ] ──> [ Estrazione Canali Red, RedEdge, NIR ]
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[ Calcolo Indice OSAVI (Fondo) ] ◄─── (Filtro Suolo) ───► [ Calcolo Indice MCARI (Clorofilla) ]
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[ Rapporto MCARI / OSAVI ]
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[ Mappa LAI / SPAD Ad Alta Precisione ]
Grazie a questo approccio matematico avanzato, le rilevazioni condotte da Dimitri Albino su frumenti e mais consentono di stimare lo SPAD e il LAI con una correlazione sperimentale R2 > 0,94 rispetto alle analisi di laboratorio, fornendo un supporto fondamentale per la concimazione biologica di precisione.
Conclusioni
La capacità di stimare da drone l'Indice di Area Fogliare (LAI) ed il contenuto di Clorofilla (SPAD) trasforma il telerilevamento aereo in una vera e propria analisi di laboratorio diffusa su scala ettariale. I droni ITALDRONI forniscono alle aziende agricole biologiche uno strumento affidabile per monitorare la fotosintesi vegetale e gestire la nutrizione azotata senza sprechi.