Sicuramente hai sentito parlare dell’indice NDVI, parametro importante in agricoltura di precisione per monitorare la vegetazione negli appezzamenti agricoli.

In questo articolo viene presentato il principio fisico su cui si basa l’indice NDVI, per la stesura delle mappe di vigore. Inoltre le argomentazioni trattate ti consentiranno di approfondire le tue competenze anche in agricoltura di precisione.

Il Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) è un indice dell’attività fotosintetica della pianta, ed è uno degli indici di vegetazione più comunemente utilizzati. Gli indici di vegetazione si basano sulla constatazione che diverse superfici riflettono i diversi tipi di luce in modo differente. In particolare, la vegetazione fotosinteticamente attiva, assorbe la maggior parte della luce rossa (RED) che la colpisce riflettendo invece gran parte della luce nel vicino infrarosso (NIR). La vegetazione morta o stressata riflette di più la luce rossa e di meno quella nel vicino infrarosso. Allo stesso modo, le superfici che non hanno una vegetazione riflettono molto di più su tutto lo spettro della luce.

 

Le piante durante l’attività fotosintetica, riflettono maggiormente le lunghezze d’onda nell’infrarosso vicino in quanto non hanno sufficiente energia per la sintesi di molecole organiche e se assorbite causerebbero un surriscaldamento dei tessuti con danni al vegetale. I cloroplasti, per la fotosintesi, assorbono invece la luce blu con lunghezza d’onda compresa tra i 0.4 ei 0.5 µm e la luce rossa con lunghezza d’onda compresa tra i 0.6 ei 0.7 µm mentre riflettono fortemente la luce verde con lunghezza d’onda compresa tra 0.5 e 0.6 µm. E’ il parenchima lacunoso, ricco di aria, che riflette la luce NIR con lunghezza d’onda tra i 0.7 e i 1.1 µm.

Per una vegetazione in buona salute si avrà un grande divario tra la luce rossa assorbita e quella NIR riflessa, mentre le piante sofferenti assorbiranno meno luce rossa per via della ridotta attività fotosintetica e di conseguenza si avrà un cedimento della struttura cellulare della foglia e quindi la riflettanza NIR diminuirà facendo ridurre significativamente la differenza tra i due valori. Il suolo sarà facilmente discriminabile in quanto invece ha valori alti di riflettanza nel rosso e molto bassi nel NIR.  La riflettanza in queste bande è stata utilizzata per sviluppare una serie di rapporti, il più conosciuto dei quali è l’NDVI (Normalised Difference Vegetation Index):

Tale indice varia tra -1 e +1, valori inferiori allo 0 non hanno significato ecologico, mentre valori leggermente positivi indicheranno una piccola differenza tra il NIR e il rosso tipico di assenza di attività fotosintetica e quindi caratteristici di suolo, acqua, rocce o piante morte, mentre valori prossimi a 1 indicheranno un’intensa attività fotosintetica e quindi caratteristici di una vegetazione in buona salute. Per comprendere meglio l’indice NDVI occorre analizzare il principio fisico della fotosintesi clorofilliana. La fotosintesi clorofilliana è il processo biochimico che sta alla base della sopravvivenza delle piante: mediante questo fenomeno infatti la luce solare viene catturata attraverso la clorofilla e trasformata in energia chimica, indispensabile per sintetizzare le molecole di glucosio e liberare ossigeno. Le piante durante questo processo assorbono 6 molecole di anidride carbonica e 6 molecole di acqua e le trasformano in 1 molecola di glucosio e in altre 6 molecole di ossigeno.

 

Il processo della fotosintesi clorofilliana avviene in 2 fasi, ognuna delle quali è fondamentale per la sua riuscita:

  • Fase luminosa: una catena di trasporto degli elettroni sfrutta la luce per produrre energia sotto forma di ATP;
  • Fase oscura (ciclo di Calvin): nello stroma del cloroplasto avviene la trasformazione del carbonio inorganico (presente nell’anidride carbonica) in molecole di carbonio organico (glucosio).

La fase luminosa, per poter avvenire, richiede necessariamente la presenza di una fonte luminosa e quindi di sole: attraverso la clorofilla viene assorbita la luce solare e quindi prodotta energia utile per la pianta. La fase oscura, invece, avviene sempre perchè non richiede luce. L’interpretazione biofisica del NDVI è la frazione di radiazione fotosinteticamente attiva assorbita dalla pianta e quindi ad un valore basso (tra 0 e 0.3) corrisponderà una zona a basso vigore mentre ad un valore alto (tra 0.7 e 1) corrisponderà una zona ad alto vigore. Poiché si tratta di un rapporto tra due bande, NDVI aiuta a compensare le differenze sia in illuminazione all’interno di un’immagine che le differenze tra le immagini dovute all’ora del giorno o alla stagione. Così, gli indici di vegetazione come il NDVI permettono di confrontare le immagini nel tempo per cercare i cambiamenti agricoli ed ecologicamente significativi. Il NDVI è sensibile a basse concentrazioni di clorofilla e quindi può essere utile nella fasi iniziali per predire la resa del raccolto.

Un passaggio fondamentale per ottenere delle mappe di vigore vegetativo corrette e per non creare dei falsi negativi o errate interpretazioni dei dati, è quello della calibrazione radiometrica delle immagini rilevate. Questo procedimento è analogo a quanto si fa col bilanciamento del bianco in fotografia e permette di correggere le immagini ottenute dagli errori del sensore e da quelli dell’illuminazione solare. In particolare, vale la seguente formula: Riflettanza = Immagine/(sensore*illuminazione).

 


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