Quasi tutte le mappe consegnate a un’azienda agricola dopo un volo multispettrale portano la stessa etichetta: NDVI. È l’indice più diffuso, il più documentato e, in molte situazioni, il meno adatto a rispondere alla domanda che ha motivato il rilievo.
Gli indici di vegetazione non sono una scelta di gusto né una voce di catalogo. Ognuno nasce per superare un limite preciso di quello che lo ha preceduto: NDVI satura quando la coltura diventa vigorosa, GNDVI continua a discriminare dove NDVI si è fermato, OSAVI corregge il disturbo del suolo dove l’interfila è ampia, RENDVI intercetta variazioni di clorofilla prima che diventino visibili nel rosso.
Sapere quale limite si sta cercando di aggirare è l’unico modo per scegliere. Se hai già chiaro che ti serve un’acquisizione multispettrale, i sensori e i formati di consegna sono descritti nella pagina dei servizi di agricoltura di precisione con drone; qui parliamo di cosa farne dei dati.
Cosa misura davvero un indice di vegetazione
Un sensore multispettrale non misura la salute di una pianta. Misura riflettanza: la frazione di luce incidente che la superficie rinvia verso l’alto, in un certo numero di bande spettrali strette.
Il comportamento che tutti gli indici sfruttano è questo. Una foglia sana assorbe fortemente nel rosso, perché la clorofilla usa quella porzione di spettro per la fotosintesi, e riflette in modo molto marcato nel vicino infrarosso, perché la struttura interna del mesofillo diffonde quella radiazione invece di assorbirla. Il contrasto fra le due bande è quindi elevato quando la vegetazione è densa e attiva, e si riduce quando lo è meno.
Un indice comprime questo contrasto in un numero per ogni pixel. Il numero correla con la biomassa, con il vigore, con il contenuto di pigmenti — ma non identifica la causa. Uno stress idrico, una carenza azotata, un attacco radicale, una fallanza e un errore di impianto possono produrre lo stesso valore. La mappa dice dove guardare, non perché.
È una distinzione che vale la pena tenere ferma, perché è all’origine della delusione più comune verso l’agricoltura di precisione: aspettarsi una diagnosi da uno strumento che produce una misura fisica. L’interpretazione resta agronomica e, quasi sempre, richiede una verifica a terra sulle zone che la mappa segnala.
NDVI — il riferimento, con un limite noto
In parole: differenza fra vicino infrarosso e rosso, divisa per la loro somma. In formula, (NIR − Rosso) / (NIR + Rosso), con valori compresi fra −1 e +1; la vegetazione attiva sta tipicamente fra 0,3 e 0,9.
Cosa risolve. Normalizzando la differenza sulla somma, NDVI riduce l’effetto delle variazioni di illuminazione complessiva: un pixel in ombra e uno in pieno sole con la stessa vegetazione restituiscono valori più simili di quanto farebbero le bande grezze. È robusto, calcolabile da qualunque sensore a due bande, e ha alle spalle quarant’anni di letteratura e un archivio satellitare continuo che permette confronti con le stagioni passate.
Quando usarlo. Fasi iniziali e intermedie, verifica di emergenza e uniformità di investimento, zonizzazione di appezzamenti a copertura media, e ogni volta che serve confrontare il rilievo con la serie storica satellitare — argomento che abbiamo trattato in NDVI da drone o da satellite.
Limite residuo: la saturazione. Quando la copertura fogliare diventa densa, la riflettanza nel rosso si avvicina a zero e non può scendere oltre. L’indice raggiunge un asintoto intorno a 0,85-0,90 e smette di distinguere una coltura vigorosa da una molto vigorosa. Il problema è che questo accade proprio nella fase in cui le decisioni contano di più: la concimazione di copertura, la gestione irrigua in piena vegetazione, la zonizzazione della raccolta.
Il secondo limite è opposto e agisce all’estremo inferiore: dove la copertura è scarsa, il valore riflette in buona parte il suolo, che nel rosso e nel vicino infrarosso ha un comportamento tutt’altro che neutro.
GNDVI — leggere la clorofilla dove NDVI si è fermato
In parole: stessa costruzione dell’NDVI, ma al posto del rosso si usa il verde. (NIR − Verde) / (NIR + Verde).
Cosa risolve. La clorofilla assorbe nel verde molto meno che nel rosso — è la ragione per cui le foglie ci appaiono verdi. Questo significa che la riflettanza nel verde non si azzera quando la biomassa aumenta: continua a variare in un intervallo utile anche quando il rosso è ormai piatto. GNDVI satura più tardi, e mantiene capacità di discriminazione in un intervallo in cui NDVI ha già smesso.
C’è un secondo vantaggio: la riflettanza nel verde è più direttamente legata al contenuto di clorofilla fogliare, che a sua volta è un indicatore dello stato azotato della coltura. Nella pratica GNDVI viene usato molto più per stimare vigore e nutrizione che per stimare copertura.
Quando usarlo. Fasi vegetative medio-avanzate, valutazione dello stato azotato su cereali in levata e mais, confronto di vigore in piena vegetazione, costruzione di mappe di prescrizione per la concimazione.
Limite residuo. Satura anche lui, semplicemente più avanti. È inoltre più sensibile alle variazioni di illuminazione e di condizione atmosferica rispetto a NDVI, il che rende la calibrazione ancora più rilevante. E non ha un archivio storico paragonabile: i confronti pluriennali restano territorio dell’NDVI.
OSAVI — togliere di mezzo il suolo
In parole: come l’NDVI, ma con una costante aggiunta al denominatore che smorza il contributo del terreno. (NIR − Rosso) / (NIR + Rosso + 0,16).
Quel 0,16 non è arbitrario. Appartiene alla famiglia degli indici soil-adjusted: il capostipite, SAVI, usa un fattore di correzione da tarare in base alla densità della copertura, cosa che nella pratica nessuno fa. OSAVI — Optimized SAVI — fissa quel fattore al valore che minimizza l’errore medio sulle coperture agricole tipiche, rendendo l’indice utilizzabile senza taratura preliminare.
Cosa risolve. Dove il suolo è visibile fra le piante, la sua riflettanza entra nel calcolo. Un terreno chiaro e asciutto e lo stesso terreno scuro dopo una pioggia producono valori NDVI diversi a parità di vegetazione: la mappa mostra una variabilità che è del suolo, non della coltura. OSAVI attenua sensibilmente questo effetto.
Quando usarlo. Emergenza e prime fasi, colture a bassa densità, e soprattutto colture arboree e a filare — vigneti, oliveti, frutteti — dove l’interfila resta scoperta o inerbita per tutta la stagione e rappresenta la maggior parte della superficie osservata.
Limite residuo. Attenua, non elimina. Su copertura densa converge verso l’NDVI e non offre più alcun vantaggio, e conserva lo stesso problema di saturazione. Va detto anche che nelle colture a filare OSAVI affronta metà del problema: corregge il contributo del suolo, ma non separa la chioma dall’interfila. Quella separazione richiede una risoluzione sufficiente a isolare i pixel di chioma, come nel rilievo su vigneto realizzato per CREA, dove il confronto fra NDVI sull’intera superficie e NDVI sui soli filari mostra due mappe che raccontano cose diverse. I due approcci sono complementari: OSAVI corregge la radiometria, la maschera corregge la geometria.
RENDVI (o NDRE) — anticipare lo stress
In parole: ancora la stessa costruzione, con il red edge al posto del rosso. (NIR − RedEdge) / (NIR + RedEdge).
Le due sigle indicano lo stesso indice: RENDVI e NDRE sono nomi alternativi della medesima formula, e la scelta dipende dal software che produce le mappe. Non sono due prodotti diversi.
Cos’è il red edge. È la zona di transizione fra i 690 e i 750 nanometri, dove la riflettanza fogliare passa in poche decine di nanometri dai valori bassissimi del rosso a quelli altissimi dell’infrarosso vicino. La pendenza e la posizione di questa salita si spostano al variare del contenuto di clorofilla: è la porzione di spettro più informativa in assoluto sullo stato fisiologico della pianta, ed è anche la ragione per cui i sensori multispettrali costano più delle camere RGB.
Cosa risolve. Due cose insieme. La prima: nel red edge la riflettanza non si azzera al crescere della biomassa, quindi l’indice non satura nell’intervallo in cui NDVI è ormai piatto. La seconda: le variazioni di clorofilla si manifestano nel red edge prima di essere rilevabili nel rosso, il che rende RENDVI capace di segnalare uno stress in corso quando ancora non è visibile né a occhio né sulle mappe NDVI.
Quando usarlo. Monitoraggio di colture in piena vegetazione, stato azotato e decisioni di concimazione di copertura, individuazione precoce di stress, vigneti e frutteti in fase avanzata. È l’indice da chiedere quando la domanda è “sta succedendo qualcosa” e non “quanta biomassa c’è”.
Limite residuo. Richiede un sensore che abbia effettivamente la banda red edge: non tutte le camere multispettrali per drone la montano, e sul satellite Sentinel-2 la banda esiste ma a 20 metri di risoluzione, il doppio delle bande rosso e infrarosso. È inoltre un indice più rumoroso, con soglie di riferimento meno consolidate in letteratura. Soprattutto, i valori assoluti non sono confrontabili fra sensori diversi: il centro e la larghezza della banda red edge variano da modello a modello, e due camere sullo stesso campo lo stesso giorno restituiscono numeri diversi.
Perché quattro indici e non uno
La ragione pratica è che nessun indice copre l’intero ciclo colturale. Nelle prime fasi il problema è il suolo, in piena vegetazione è la saturazione, sulle colture a filare sono entrambi. Un solo indice significa accettare di essere ciechi in una parte della stagione.
La ragione operativa è che calcolarne quattro non costa un volo in più. Il sensore acquisisce tutte le bande in un’unica passata; gli indici sono elaborazioni successive sullo stesso dato. Ciò che cambia non è il costo dell’acquisizione, ma quale mappa si guarda per rispondere a quale domanda.
| Situazione | Indice da usare | Perché |
|---|---|---|
| Emergenza, copertura sotto il 30%, suolo ampiamente visibile | OSAVI | Attenua il contributo della riflettanza del terreno |
| Fase vegetativa iniziale e media, confronto con serie storica | NDVI | Robusto, universale, comparabile con l’archivio satellitare |
| Piena vegetazione, coltura vigorosa | RENDVI, in seconda battuta GNDVI | NDVI ha raggiunto l’asintoto e non discrimina più |
| Stato azotato, contenuto di clorofilla | GNDVI o RENDVI | Sensibili al pigmento più che alla biomassa |
| Colture a filare con interfila inerbita | OSAVI su chioma isolata | Doppio problema: disturbo del suolo e pixel misto |
| Sospetto di stress non ancora visibile | RENDVI | Il red edge risponde prima del rosso |
La scelta, in altre parole, non riguarda l’indice. Riguarda la domanda: da lì si risale allo strumento, mai il contrario.
La calibrazione radiometrica: senza, gli indici non sono confrontabili
Questo punto vale più di tutta la discussione precedente, e viene quasi sempre omesso.
Un sensore non registra riflettanza. Registra un valore digitale che dipende dalla luce che riceve, e quindi dall’ora del volo, dall’angolo solare, dalla stagione, dalla foschia, da una velatura di nubi alte che nessuno ha notato. Lo stesso campo, nelle stesse condizioni vegetative, rilevato alle nove del mattino e alle tre del pomeriggio, produce valori grezzi diversi.
La conversione da valore digitale a riflettanza richiede due elementi: un pannello di calibrazione a riflettanza nota, ripreso a terra prima e dopo il volo, e un sensore di luce incidente montato sulla sommità del drone, che registra le variazioni di illuminazione durante l’acquisizione. Con questi due dati l’elaborazione riporta le misure a una scala fisica assoluta.
Le conseguenze pratiche di saltare questo passaggio:
- Un singolo volo resta leggibile in senso relativo. La zonizzazione interna all’appezzamento — quali aree sono più vigorose di altre nello stesso momento — regge anche senza calibrazione.
- Due date non sono confrontabili. La differenza fra la mappa di maggio e quella di giugno può essere interamente attribuibile alla luce. Ed è esattamente il confronto fra date che rende utile il monitoraggio: il valore assoluto di un indice, preso una volta sola, dice pochissimo.
- Le soglie di letteratura non sono trasferibili. I valori di riferimento pubblicati per una coltura valgono per il sensore, la latitudine e la fase con cui sono stati costruiti. Su un’azienda si costruisce una baseline propria, nel corso di una o due stagioni, e si lavora sugli scostamenti da quella.
È il motivo per cui un volo isolato produce un’immagine suggestiva ma poca informazione decisionale, mentre una serie calibrata su tre o quattro date nella stagione produce un dato su cui si può ragionare. Su come si legge quella serie e come si traduce in decisioni operative torniamo nel contenuto dedicato all’interpretazione delle mappe.
In pratica
Tre domande, nell’ordine, prima di commissionare un’elaborazione:
- In che fase è la coltura? Copertura scarsa e suolo visibile portano a OSAVI; piena vegetazione porta a RENDVI. NDVI sta bene in mezzo.
- Cosa devo stimare: quanta biomassa c’è o come sta? La prima domanda è NDVI e OSAVI, la seconda è GNDVI e RENDVI.
- Mi serve il confronto con un’altra data? Se sì, la calibrazione radiometrica non è un’opzione, ed è una domanda da fare prima del volo, non dopo.
