Rilievo topografico 3D e modelli digitali della canopia (DSM/DTM) tramite droni
Quando si parla di telerilevamento in agricoltura, il pensiero corre immediatamente alle mappe bidimensionali di vigore vegetativo…
Introduzione: la terza dimensione dell'Agricoltura di precisione
Quando si parla di telerilevamento in agricoltura, il pensiero corre immediatamente alle mappe bidimensionali di vigore vegetativo acquisite nei colori visibili o nell'infrarosso. Tuttavia, l'agricoltura di precisione moderna non può prescindere dalla terza dimensione: la forma del terreno, le micro-pendenze, la quota assoluta e la struttura tridimensionale delle piante.
La gestione dell'acqua nei campi coltivati — sia essa l'irrigazione per scorrimento o il drenaggio delle acque piovane in eccesso — è governata dalla gravità e dalla morfologia del suolo. Avvallamenti impercettibili all'occhio umano possono causare ristagni idrici prolungati, asfissia radicale e lo sviluppo di patogeni fungini. Al contrario, dossetti e micro-rilievi soffrono di un rapido asciugamento e di erosione del suolo.
Grazie alle moderne tecniche di fotogrammetria digitale aerea (Structure from Motion - SfM) e alla tecnologia LiDAR (Light Detection and Ranging) montata su droni professionali, è oggi possibile ricostruire la topografia del terreno e la geometria tridimensionale delle colture con precisioni centimetriche o millimetriche.
I modelli digitali di elevazione: DTM, DSM e CHM
Nel telerilevamento 3D si utilizzano tre modelli digitali fondamentali che è indispensabile saper distinguere:
┌──────────────────────────────────────────────────────────┐ │ MODELLI DIGITALI DI ELEVAZIONE │ ├───────────────────┬───────────────────┬──────────────────┤ │ 1. DSM │ 2. DTM │ 3. CHM │ │ Digital Surface │ Digital Terrain │ Canopy Height │ │ Model (Oggetti) │ Model (Terreno) │ Model (Altezza) │ └───────────────────┴───────────────────┴──────────────────┘
1. modello digitale di superficie (DSM - Digital Surface Model)
Il DSM rappresenta la superficie esterna elevata di tutto ciò che si trova sul territorio: comprende la quota superiore delle chiome degli alberi, delle colture, dei fabbricati rurali, delle serre e degli impianti antigrandine. È la "pelle" tridimensionale più esterna catturata dal drone.
2. modello digitale del terreno (DTM - Digital Terrain Model)
Il DTM rappresenta la quota reale del suolo nudo, privo di qualsiasi elemento vegetale o artificiale. Per generare un DTM accurato da immagini fotogrammetriche occorre effettuare il rilievo prima della semina (a terreno nudo) oppure applicare complessi algoritmi di filtraggio della nuvola di punti che rimuovono la vegetazione. I sensori LiDAR sono particolarmente vantaggiosi per il DTM poiché i loro impulsi laser riescono a penetrare attraverso le fessure della canopia e raggiungere il terreno sottostante.
3. modello d'Altezza della canopia (CHM - Canopy Height Model)
Il CHM rappresenta l'altezza netta della vegetazione in ogni singolo punto del campo. Viene calcolato attraverso una semplice sottrazione algebrica raster:
Il CHM fornisce una mappa ad alta risoluzione dell'altezza delle piante (es. l'altezza di ogni singolo albero in un frutteto o la variazione d'altezza di un campo di mais).
Applicazioni pratiche della topografia 3D in agricoltura
1. sistemazioni idraulico-Agrarie e modellazione dei ristagni
Utilizzando il DTM ad alta precisione è possibile condurre analisi idrologiche avanzate tramite software GIS:
- Mappatura dell'Indice di Bagnabilità (TWI - Topographic Wetness Index): Individuazione matematica delle zone del campo a rischio ristagno idrico prima che la pioggia si verifichi.
- Progettazione di Canali di Drenaggio e Livellatura Laser: Generazione dei tracciati ottimali per le scoline e la modellazione dei piani di livellatura del terreno a pendenza controllata.
2. monitoraggio della struttura del vigneto e del frutteto
Nei frutteti e nei vigneti, il modello CHM calcolato da drone consente di:
- Rilevare il volume della chioma (Tree Canopy Volume - m3/ha) per calibrare i volumi di miscela nella distribuzione dei fitofarmaci (Tree Row Volume - TRV).
- Mappare fallanze (piante mancanti o morte) e misurare l'altezza di ogni singola vite o albero da frutto.
3. calcolo dei volumi di scavo e cumuli
Nelle aziende agricole e zootecniche, la fotogrammetria 3D viene impiegata per calcolare con precisione il volume di cumuli di insilato, compost, scavi per bacini di irrigazione o stoccaggio di cippato.
Approfondimento tecnico: la tecnologia LiDAR montata su drone
Mentre la fotogrammetria digitale passiva (SfM) si basa sulla ricostruzione 3D a partire da fotografie visibili RGB, la tecnologia LiDAR (Light Detection and Ranging) è un sistema di telerilevamento attivo. Il sensore LiDAR emette centinaia di migliaia di impulsi laser per secondo nella banda dell'infrarosso e misura con precisione millimetrica il tempo impiegato da ciascun impulso per colpire la superficie e ritornare al ricevitore (Time-of-Flight).
Nell'agricoltura di precisione e nella gestione forestale, il LiDAR montato su drone presenta vantaggi insostituibili rispetto alla fotogrammetria tradizionale:
- Capacità di Multi-Ritorno (Multi-Echo): Un singolo impulso laser inviato dal drone verso una canopia vegetale può generare molteplici ritorni: il primo eco viene riflesso dalle foglie superiori della chioma (generando il DSM), gli echi intermedi vengono riflessi dai rami interni, mentre l'ultimo eco riesce a penetrare le fessure del fogliame e a colpire direttamente il terreno sottostante. Ciò consente di ricavare un DTM del suolo nudo estremamente preciso anche all'interno di boschi fitti, frutteti e vigneti lussureggianti, operazione del tutto impossibile per la fotogrammetria fotografica.
- Indipendenza dalle Condizioni di Luce: Essendo un sensore attivo che emette una propria sorgente di luce laser, il LiDAR può operare con identica precisione in giornate molto nuvolose, all'ombra o persino in assenza totale di luce solare, azzerando gli errori dovuti alle ombre portate.
- Mappatura Tridimensionale della Densità del Fogliame: Analizzando la distribuzione spaziale della nuvola di punti laser all'interno del volume della chioma, gli agronomi possono calcolare con precisione metrica il volume totale della canopia e l'indice di densità vegetale, dati fondamentali per dosare i trattamenti fitosanitari e calibrare le macchine atomizzatrici.
Integrazione con i sistemi di drenaggio e modellazione IDRAG
La disponibilità di un DTM ad altissima risoluzione derivato da LiDAR o da fotogrammetria RTK consente agli studi di ingegneria agraria di simulare l'evento di piogge torrenziali tramite modelli idrodinamici 2D. È possibile individuare preventivamente i punti di esondazione dei fossi aziendali, calcolare la capacità di invaso dei bacini di raccolta idrica e progettare la disposizione ottimale dei drenaggi sotterranei fenestrati, proteggendo l'azienda agricola dai rischi di dissesto idrogeologico e dall'erosione del suolo fertile.
Tabella comparativa delle tecnologie 3D aeree
| Caratteristica | Fotogrammetria RGB (SfM) | LiDAR Aereo su Drone |
|---|---|---|
| Principio di misura | Sovrapposizione di immagini fotografiche | Impulsi laser riflessi (time-of-flight) |
| Penetrazione Canopia | Impossibile (Vede solo la superficie fogliare) | Elevata (I fasci laser filtrano tra le foglie) |
| Generazione DTM in bosco/frutteto | Difficile (Richiede terreno nudo visibile) | Eccellente (Genera il DTM del suolo anche sotto chioma) |
| Densità Nuvola di Punti | Molto elevata | Elevatissima (Fino a 500-1000 impulsi/m2) |
| Costo dell'Attrezzatura | Accessibile | Elevato (Sensore ad altissima tecnologia) |
La precisione centimetrica di ITALDRONI e Dimitri Albino
Un rilievo topografico 3D è valido solo se le coordinate XYZ (X, Y orizzontali e Z altimetrica) sono ancorate a un sistema di riferimento geodetico assoluto con precisione centimetrica.
ITALDRONI realizza rilievi topografici 3D e modelli di elevazione ad altissima fedeltà per l'agricoltura, impiegando droni dotati di ricevitori GNSS RTK/PPK multifrequenza capaci di dialogare con le reti di stazioni di servizio satellitari terrestri.
Sotto la direzione operativa di Dimitri Albino (pilota professionista certificato EU-STS con comprovata esperienza in rilievi topografici complessi), ogni missione integra un rigido protocollo di posizionamento a terra:
- Dispiegamento dei Target GCP (Ground Control Points): Posizionamento di picchetti e target topografici al suolo misurati con ricevitori GPS differenziali di classe millimetrica.
- Elaborazione delle Nuvole di Punti 3D: Generazione di mesh tridimensionali, curve di livello (contour lines) e file raster geotiff importabili nei principali software CAD e GIS agricoli.
Questa cura del dettaglio assicura che i modelli 3D forniti da ITALDRONI siano immediatamente utilizzabili per la progettazione di impianti irrigui, livellature e sistemazioni idrauliche di precisione.
Conclusioni
I modelli digitali di elevazione e la ricostruzione topografica 3D rappresentano uno strumento indispensabile per comprendere le dinamiche idrologiche e strutturali dell'azienda agricola. Integrare la dimensione altimetrica con i dati multispettrali di vigore consente di passare da una gestione superficiale a una comprensione olistica del territorio, prevenendo i danni da ristagno, ottimizzando l'uso dell'acqua e garantendo la perfetta riuscita delle opere di sistemazione del suolo.