Una termocamera montata su drone non misura l’acqua nel terreno. Misura la temperatura della superficie che inquadra — nel nostro caso le foglie — e da quella si risale allo stato idrico della pianta per via indiretta, attraverso un ragionamento fisiologico che ha condizioni di validità precise.
Sembra una distinzione da manuale ed è invece la ragione per cui molti rilievi termici in agricoltura producono immagini eleganti e nessuna decisione. Se il volo avviene nell’ora sbagliata, se la termocamera non è radiometrica, se non c’è modo di riportare due campagne alla stessa scala, il dato resta una fotografia suggestiva di quel momento.
Questo articolo descrive le condizioni che rendono il dato termico utilizzabile. Se ti interessa la parte operativa — attrezzature, tempi, formati di consegna — la trovi nella pagina dei servizi di agricoltura di precisione con drone.
Il principio: traspirazione, stomi, raffrescamento
Una pianta ben rifornita d’acqua tiene gli stomi aperti e traspira. L’evaporazione dell’acqua attraverso le aperture stomatiche sottrae calore latente alla foglia, esattamente come la sudorazione raffredda la pelle. Il risultato è che una chioma che traspira attivamente è più fredda dell’aria che la circonda, anche di 3-6 °C in condizioni di forte irraggiamento.
Quando l’acqua disponibile si riduce, la pianta chiude progressivamente gli stomi per limitare le perdite. È una risposta di difesa e precede di parecchio i sintomi visibili: prima che la foglia appassisca o che la chioma cambi colore, la traspirazione è già diminuita. Meno traspirazione significa meno raffrescamento, e la temperatura della chioma sale verso quella dell’aria e la supera.
Questo è tutto il principio. La termocamera intercetta una risposta fisiologica in atto, non una condizione del suolo. Ed è precisamente il motivo per cui il dato termico è interessante: anticipa. Un tensiometro dice quanta acqua c’è in un punto del terreno; la termografia dice come la pianta sta reagendo a quello che trova, in tutta la superficie e nello stesso istante.
Ha però un rovescio. La chiusura stomatica non è causata solo dalla carenza idrica. Un’elevata domanda evapotraspirativa in una giornata ventosa e secca, una salinità eccessiva, un danno all’apparato radicale, una patologia vascolare o semplicemente le ore centrali di una giornata torrida producono la stessa risposta. La mappa termica individua le piante che stanno traspirando meno delle altre; il perché resta una valutazione agronomica, da confermare a terra.
Perché si vola nelle ore centrali
È la scelta operativa che sorprende di più chi commissiona il rilievo, perché contraddice l’abitudine fotografica di evitare il sole a picco.
La differenza fra chioma e aria esiste solo se c’è domanda evapotraspirativa. All’alba, con l’aria satura di umidità e nessun irraggiamento, una pianta in stress severo e una perfettamente irrigata hanno praticamente la stessa temperatura fogliare: il contrasto che stiamo cercando non si è ancora formato. Lo stesso vale al tramonto e nelle giornate coperte.
Il contrasto è massimo fra le 11 e le 14 di ora solare, in condizioni di cielo sereno e vento debole. In quella finestra la radiazione è alta e stabile, il deficit di pressione di vapore è elevato, e la pianta che può traspirare lo fa al massimo delle sue possibilità mentre quella che non può resta indietro. È lì che il sensore separa le due condizioni.
Ci sono tre condizioni al contorno che valgono quanto l’orario.
Cielo sereno e stabile. Il passaggio di una nuvola durante il volo altera l’irraggiamento e quindi il bilancio termico della chioma: la porzione di mappa acquisita in quel momento non è confrontabile con il resto. Meglio rimandare che volare in condizioni variabili.
Vento debole. Sopra i 3-4 metri al secondo la convezione raffredda la chioma indipendentemente dalla traspirazione, comprimendo le differenze che stiamo misurando.
Volo rapido. Più a lungo dura l’acquisizione, più cambiano le condizioni fra il primo e l’ultimo fotogramma. Su superfici estese conviene spezzare in blocchi e trattarli separatamente piuttosto che produrre un unico mosaico costruito su due ore di condizioni diverse.
Radiometrico e non radiometrico: la differenza che rende il dato utilizzabile
È la distinzione tecnica che determina se il rilievo servirà a qualcosa.
Una termocamera non radiometrica produce un’immagine in falsi colori. Il sensore misura, ma il file conserva solo un valore relativo, e il software di bordo riscala automaticamente la palette su ciascun fotogramma per massimizzarne il contrasto. Il risultato è visivamente convincente e numericamente inservibile: due fotogrammi contigui dello stesso campo possono avere scale diverse, il mosaico presenta discontinuità, e nessun pixel corrisponde a una temperatura. È lo stesso equivoco della scala relativa che affligge le mappe di vigore, aggravato dal fatto che qui cambia anche all’interno della stessa mappa.
Una termocamera radiometrica conserva per ogni pixel il valore necessario a ricavare una temperatura assoluta. È il minimo indispensabile: senza, non esiste confronto fra zone distanti della stessa mappa, né fra date, né alcun calcolo di indice.
Avere il sensore giusto, però, non basta. Perché il numero sia una temperatura attendibile servono alcuni accorgimenti che appartengono al mestiere della termografia più che a quello del volo:
- Emissività impostata correttamente. La vegetazione sta intorno a 0,98, ma è un parametro che va dichiarato, non lasciato al valore di fabbrica.
- Temperatura apparente riflessa. Ogni superficie riflette anche la radiazione dell’ambiente circostante, cielo compreso. Va misurata e inserita nell’elaborazione.
- Riscaldamento del sensore. Una termocamera ha bisogno di 15-20 minuti di funzionamento prima che le sue letture si stabilizzino. Volare appena accesi introduce una deriva sistematica nella prima parte del rilievo.
- Correzione di campo piatto. Le ricalibrazioni automatiche del sensore durante il volo introducono discontinuità fra i fotogrammi: vanno gestite in fase di elaborazione, non ignorate.
Sono i motivi per cui, in azienda, la parte interpretativa del dato termico è seguita da un termografo certificato di secondo livello secondo la UNI EN ISO 9712. La procedura generale, comune a tutti gli ambiti di applicazione, è descritta nella guida alla procedura di rilievo termografico con drone.
Il suolo è il disturbo principale
C’è un ultimo aspetto che vale in modo particolare per le colture a filare. Il terreno esposto al sole raggiunge temperature molto superiori a quelle della chioma — differenze di 15-25 °C non sono eccezionali. In una mappa termica di vigneto o frutteto, la maggior parte dei pixel non è vegetazione: è suolo caldo e interfila.
Se la statistica si calcola sull’intera superficie, il segnale della pianta annega in quello del terreno, e la variabilità che si osserva è in larga parte variabilità di esposizione del suolo. La mappa termica va mascherata sui soli pixel di chioma, e per farlo serve un’informazione geometrica che la termica da sola non ha: si ricava dal volo multispettrale o RGB acquisito in parallelo, con la stessa logica applicata al rilievo su vigneto realizzato per CREA.
I marker a terra e la georeferenziazione delle immagini termiche
Qui sta la parte che quasi nessuno racconta, perché quasi nessuno la applica.
Le immagini termiche hanno due caratteristiche che rendono difficile la ricostruzione fotogrammetrica: risoluzione bassa — un sensore da 640 × 512 pixel a 50-60 metri di quota produce un pixel a terra di 5-8 centimetri, ordini di grandezza sopra a quello di una camera RGB — e contrasto scarso. Una chioma vista in termico è una superficie omogenea, priva di quei punti caratteristici che l’algoritmo usa per allineare i fotogrammi. Su un vigneto uniforme, l’allineamento automatico fallisce o produce derive.
La soluzione è mettere a terra dei punti di controllo visibili nel termico. Non basta un pannello a scacchi da fotogrammetria classica, che nell’infrarosso termico è indistinguibile dallo sfondo: servono marker in alluminio lucido.
Il motivo è controintuitivo e riguarda l’emissività. Una superficie metallica speculare ha emissività bassissima: nell’infrarosso termico non mostra la propria temperatura, ma riflette quella della volta celeste, che in giornata serena è di decine di gradi inferiore a quella del suolo esposto al sole. Il risultato è una macchia nettamente fredda su uno sfondo caldissimo, con un contrasto che nessun materiale opaco può garantire. Un pannello chiaro non riflettente, al contrario, va in equilibrio termico con l’ambiente e sparisce nel fondo proprio nelle ore in cui si vola.
È anche la ragione per cui la condizione di cielo sereno serve due volte. Oltre a rendere stabile l’irraggiamento sulla chioma, è ciò che dà ai marker la loro firma fredda: con cielo coperto la temperatura apparente della volta celeste si alza e i bersagli perdono contrasto.
I punti vanno poi rilevati con GNSS in RTK, così che a ciascuno corrisponda una coordinata di precisione centimetrica. Da qui derivano due risultati distinti.
Il primo è che il mosaico termico si allinea correttamente e diventa sovrapponibile alle altre mappe della stessa campagna — multispettrale, ortofoto, modello del terreno. Senza questo, la mappa termica resta un livello che fluttua rispetto agli altri e non si può interrogare per zona.
Il secondo è più importante e riguarda il tempo. Se i marker vengono ricollocati esattamente nelle stesse posizioni a ogni campagna, le mappe di date diverse condividono lo stesso riferimento geometrico. Diventa possibile confrontare lo stesso identico filare, lo stesso identico tratto, a distanza di mesi o di stagioni, senza che una differenza di allineamento venga scambiata per una differenza di comportamento.
È un lavoro preliminare che allunga la giornata di campagna di un’ora o due. Su un rilievo singolo sembra sovradimensionato. Su una serie che dovrà durare tre stagioni è la differenza fra avere un dato e avere una collezione di immagini.
Confrontare due campagne a distanza di mesi
Anche con marker perfetti e termocamera radiometrica, le temperature assolute di due date diverse non sono confrontabili. Una chioma a 28 °C in una giornata con aria a 24 °C racconta una situazione opposta rispetto alla stessa chioma a 28 °C con aria a 33 °C. Il numero è identico, il significato è rovesciato.
Il confronto richiede una normalizzazione rispetto alle condizioni ambientali del momento del volo. Lo strumento standard è il CWSI, Crop Water Stress Index, che esprime la temperatura della chioma come posizione relativa fra due estremi:
- un riferimento umido, cioè la temperatura che avrebbe una chioma che traspira senza alcuna limitazione in quelle condizioni;
- un riferimento secco, cioè quella di una chioma con stomi completamente chiusi.
L’indice vale 0 quando la pianta si comporta come il riferimento umido — nessuno stress — e 1 quando si comporta come quello secco. I valori intermedi sono confrontabili fra date diverse, perché entrambi gli estremi sono ricalcolati per ciascun volo.
I due riferimenti si ottengono in due modi. Quello sperimentale usa superfici artificiali collocate in campo: foglie bagnate per il riferimento umido, foglie trattate per impedire la traspirazione per quello secco. Quello analitico li deriva da un modello di bilancio energetico a partire dai dati meteorologici.
In entrambi i casi servono dati meteo rilevati sull’appezzamento durante il volo, non a valle da una stazione lontana: temperatura dell’aria, umidità relativa — da cui si ricava il deficit di pressione di vapore — radiazione e velocità del vento. Una centralina in campo o una stazione portatile posizionata per la durata dell’acquisizione.
Il punto pratico è questo: se il confronto pluriennale è un obiettivo, i riferimenti e i dati meteo vanno raccolti fin dalla prima campagna. Non è un dato ricostruibile a posteriori. Una serie termica iniziata senza normalizzazione resta una serie di fotografie non comparabili, e la sola alternativa è ricominciare.
In pratica
Quattro domande da porre prima di commissionare un rilievo termico su colture:
- La termocamera è radiometrica? Se la risposta è vaga, la risposta è no.
- In che fascia oraria si vola, e con quali condizioni meteo di soglia? Un fornitore che vola quando capita sta vendendo immagini, non misure.
- Ci sono punti di controllo a terra rilevati con GNSS, e verranno ricollocati alle campagne successive?
- Vengono registrati i dati meteo dell’appezzamento durante il volo? Senza, il confronto fra date non sarà possibile in nessun modo.
Se il rilievo serve una sola volta, per capire cosa sta succedendo adesso, i punti 3 e 4 sono facoltativi. Se serve a costruire una serie, sono la parte del lavoro che decide se la serie esisterà.
