WITE – Web-based DSS for precIsion viTicolturE

Risultato della ricerca:

L’agricoltura si trova a dover affrontare scenari economici ed ambientali che inficiano sia la quantità che la qualità del prodotto. Attraverso l’innovazione tecnologica vi è la possibilità di mettere a punto dei sistemi colturali in grado, da una parte di ottenere un incremento della produttività e la riduzione dei costi di produzione, e dall’altra di avere un basso impatto ambientale attraverso la diminuzione dell’utilizzo, ad esempio, di fertilizzanti. Inoltre, l’applicazione di metodologie innovanti nel settore agricolo ha portato allo sviluppo di un’agricoltura economicamente sostenibile in grado di realizzare diverse forme di certificazione di qualità. L’insieme di tutti gli strumenti tecnologici applicati all’agricoltura convergono nella definizione della cosiddetta Agricoltura di Precisione all’interno della quale il presente progetto si inserisce.
Il progetto WITE propone l’implementazione di un processo metodologico per l’ottimizzazione della gestione dei vitigni al fine di migliorare la produzione e ridurre l’impatto ambientale legato all’applicazione di tecniche agronomiche non adeguate. Tale processo, che una volta implementato avrà il ruolo di Decision Support System (DSS), si basa sull’utilizzo e l’integrazione di Sistemi Aeromobili a Pilotaggio Remoto (SAPR), satelliti ad altissima risoluzione, e dati derivanti da rilievi di campo sito-specifici (es. meteo, suoli e maturità uve) anche mediante l’utilizzo di sensoristica avanzata wireless.

Tale sistema complesso verrà quindi implementato e sviluppato all’interno di una WEB-application dedicata la quale, in maniera smart ed intuitiva, sarà in grado di integrare ed elaborare dati eterogenei al fine di essere fruibili dall’end-user. La WEB-app avrà il compito quindi non solo di inglobare tutti i dati prodotti, ma anche di effettuare operazioni di calcolo complesse e di visualizzare direttamente on-line i risultati.
Tra i diversi tematismi che potranno essere implementati vi sono ad esempio: la detection delle fallanze, la perdita di produzione, il monitoraggio dello stato vegetativo, del trend di maturazione, nonché la possibilità di creare mappe di prescrizione.
Costituiscono i principali risultati del Progetto la Strutturazione di un approccio metodologico di indagine (DSS) mirato all’ottimizzazione delle pratiche agricole e colturali e la Realizzazione della Web-app come strumento di analisi e gestione dei vitigni.
L’attuale stadio di sviluppo è corrispondente al TRL-5: Technology validated in relevant environment. In particolare, si fa riferimento sia alle tecniche analitiche già parzialmente implementate all’interno del progetto AMPA sia allo sviluppo di web-app dedicate ad alcuni tematismi del progetto stesso.
Tale stadio di sviluppo è stato raggiunto attraverso l’applicazione di tecniche di downscaling multi-parametriche attraverso l’utilizzo di dati satellitari, SAPR, di campo (meteoclimatici, pedologici, vegetazionali) e di laboratorio (analisi dei mosti, radiometria, spettrofotometria, sensori multiparametrici…).

Il progetto proposto ricade all’interno dell’area di innovazione “Agroalimentare”, comparto economico più importante nella Regione. In tale contesto, il progetto si inserisce nell’innovazione tecnologica ICT e nei sistemi informativi e, per quel che riguarda le Specializzazioni Regionali, nel settore della vitivinicoltura. In riferimento alle tendenze prioritarie di sviluppo globali, al fine di sostenere i processi di innovazione, assume particolare rilevanza il mercato dell’agricoltura di precisione a qui il progetto WITE fa riferimento. Inoltre, in relazione al miglioramento dei processi e dei prodotti dell’industria agroalimentare, troviamo alcune innovazioni provenienti dal comparto
industriale in linea con il progetto, tra cui la Precision agriculture e l’UAV imaging of diseased crops. nfine, WITE afferisce alle Traiettorie di sviluppo n.1 e n.3, mentre gli ambiti applicativi del progetto hanno connessioni con altre aree di innovazione, tra cui Logistica (organizzazione di filiere) e Ambiente (tecniche di produzione sostenibile).
La possibilità di sviluppo del progetto WITE deriva dalle esperienze pregresse maturate in ambito dell’agricoltura di precisione, sensoristica e in materia SAPR. In particolare, le diverse collaborazioni avute con partner di progetto AMPA (POR CALABRIA FESR-FSE
2014-2020) per l’acquisizione dei dati SAPR hanno permesso di ottenere dataset importanti e di affrontare problematiche tecniche diverse sulle quali testare diverse tipologie di soluzioni. Anche il progetto SMART-ISLAND (MIUR-2014-2016) ha avuto un ruolo nella definizione di tecniche di telerilevamento per lo studio delle variazioni territoriali occorse nel tempo mediante l’analisi di dataset multi-temporali. Infine, citiamo il protocollo di intesa con la Tenuta Sta Lucia di Poggio Mirteto (Rieti – Lazio) per lo sviluppo di metodiche legate al digital precision farming in ambito vinicolo ed in particolare tramite indagini iperspettrali di campo e di laboratorio.
Nella fase di sviluppo del Progetto AMPA, sulle cui basi conoscitive si basa il progetto WITE, sono state riscontrate diverse criticità tecniche che si possono riassumere nei seguenti punti:
▪ omogeneizzazione dei diversi dataset tra loro molto diversi: architettura del codice differenziata in funzione di dati vettoriali, raster, alfanumerici…;
▪ retrieval di codici di programmazione efficaci in termini di gestione di “big-data” e di tempi di calcolo;
▪ aggiornamento del dataset in maniera differita dei dati acquisiti;
▪ sviluppo dell’applicazione con un limitato utilizzo di ore a disposizione e senza accesso riservato.
ll Progetto WITE intraprenderà quindi un percorso di implementazione tecnologica andando ad ampliare gli aspetti tecnici legati esclusivamente al comparto vitivinicolo all’interno di una web-app dedicata che permetterà un accesso riservato per singolo
cliente e/o settore. Verrà quindi stressata la possibilità di definire un modello concettuale di intervento (DSS) frutto di un approccio multidisciplinare che sia replicabile nel suo insieme ed esportabile con il contributo dei partner coinvolti, con potenzialità di diffusione primariamente a scala regionale ma anche nazionale e internazionale.
Come si evince dagli investimenti in attività di R&D intraprese dalle compagnie di settore di alcuni paesi europei, WITE si propone tra i propri obiettivi alcune importanti target tra cui: aumentare la qualità di prodotti, aumentare la flessibilità dei sistemi di gestione,
migliorare processi obsoleti e ridurre i costi di produzione.

Riferimento a finanziamenti precedenti:

Lo sviluppo dell’idea progettuale si basa sulle competenze ed i risultati ottenuti attraverso lo sviluppo del Progetto AMPA – Analisi Multi Parametrica per l’ambiente e l’Agricoltura finanziato nell’ambito del POR CALABRIA FESR-FSE 2014-2020 ASSE I – PROMOZIONE DELLA RICERCA E DELL’INNOVAZIONE – Obiettivo specifico 1.2 – Azione 1.2.2.
Il progetto ha riguardato l’applicazione trasversale di sistemi ICT innovativi in ambito vitivinicolo e zootecnico di precisione mediante la messa a punto di una metodica di analisi multi-parametrica (SAPR, satelliti, analisi di campo e laboratorio) che tenesse conto delle condizioni ambientali circostanziali. A completamento del progetto vi è stato lo sviluppo di diverse web-app dedicate all’analisi e la fruizione dei dati in maniera da rendere possibile la strutturazione di protocolli d’attuazione aziendali.

Innovatività rispetto a soluzioni già esistenti:

Il sistema proposto, fortemente interoperabile, permetterà di catalogare e di analizzare dati secondo delle querries mirate in funzione delle necessità aziendali specifiche o dei parametri che si vogliono sviluppare. Tale applicativo web è già stato oggetto di studio e di testing in ambito progettuale di viticoltura e zootecnia di precisione condotto dal CNR-IIA. Punto di forza del sistema è quello di essere sviluppato in ambiente opensource e di poter visualizzare i risultati analitici desiderati su pagina Web (o creare dashboard). Pertanto, la web-app che verrà sviluppata in locale viene distribuita su un server o su un servizio di hosting.

Negli ultimi anni si è visto un sempre più crescente interesse sia in ambito scientifico che imprenditoriale nell’utilizzo di tali sistemi anche
grazie alla possibilità di sviluppare pacchetti ad hoc in funzione della problematica richiesta. A titolo di esempio possono essere inserite: analisi di time-series di dati satellitari a varia scala, dati UAV/UGV multispettrali, dati morfometrici, dati di produzione, quantificazione delle perdite, dati meteo, stress idrico, business plan ecc. Le piattaforme software Open Source (OS), presentano una serie di vantaggi, sia economici (licenze e aggiornamenti gratuiti) che operativi (sostenuti da una comunità per lo sviluppo e l’aggiornamento).
Quindi, il sistema che si intende sviluppare rappresenta ben più di un semplice web-gis in relazione alla capacità di produzione di grafici e mappe nel momento della richiesta di visualizzazione. Tale aspetto differisce dalla maggior parte delle applicazioni in commercio, i quali mostrano i prodotti analizzati come semplici immagini o tabelle preelaborate.
Il progetto intende quindi promuovere da un lato lo sviluppo di una soluzione smart per il monitoraggio dei vitigni attraverso la gestione e l’integrazione di grandi quantità di dati e dall’altro di rendere accessibile al comparto aziendale agricolo l’implementazione di strategie e tecniche produttive efficaci ed ecosostenibili.

Titoli di proprietà intellettuale:

I risultati che saranno ottenuti attraverso lo sviluppo delle attività di progetto rientreranno in un accordo di collaborazione tra il CNR-IIA e le specifiche aziende di settore che saranno coinvolte. L’accordo avrà la finalità di regolamentare il tema della “proprietà” e dell’utilizzo e diffusione dei risultati del progetto di ricerca e sviluppo seguendo cioè le disposizioni previste dal Codice della proprietà industriale (D.lgs
10.02.2005 n. 30) in materia di titolarità dei diritti brevettuali da parte di ricercatori pubblici e delle imprese che partecipano alle attività comuni e da eventuali condizioni poste da altri soggetti finanziatori del progetto. In particolare, ognuno dei soggetti interessati rimane titolare dei diritti di proprietà intellettuale su quanto in precedenza da ciascuno di essi realizzato individualmente mentre i risultati raggiunti
congiuntamente saranno di proprietà congiunta dei soggetti interessati.

Principali applicazioni e mercato di riferimento:

Il Progetto si propone di tradurre i risultati delle attività in un prodotto di tipo software web-based in grado di predisporre protocolli di attuazione in ambito vitivinicolo. Dalla strutturazione di questa applicazione potranno beneficiare direttamente gli agricoltori attraverso l’ottimizzazione delle rese e dei processi qualitativi legati alla produzione del vino. Potrà permettere inoltre l’ottimizzazione dell’utilizzo di fitosanitari e ammendanti nonché ridurre l’eventuale utilizzo di acqua a fini irrigui.

Pertanto, l’applicazione di tale sistema avrà l’aspetto di un Decision Support System (DSS) con ricadute applicative in termini di aumento di indotto economico derivante sia dalla maggiore quantità e qualità del prodotto che dalla riduzione dei costi di gestione. Inoltre, mediante l’applicazione dei protocolli elaborati deriveranno benefici indiretti in termini di sostenibilità ambientale delle coltivazioni; tale aspetto potrà quindi supportare i viticoltori a raggiungere quei parametri legislativi necessari a richiedere la certificazione “BIO”.

La realizzazione di tale sistema integrato si basa quindi sull’utilizzo di dati SAPR e di sensori di acquisizione dei dati al terreno meteo-climatici e sensoristico avanzato (wireless). Inoltre, il sistema consentirà di gestire i dati relativi alle analisi chimiche di laboratorio e
le attività vitivinicole in genere permettendo quindi di aver rappresentate e fruibili le informazioni attraverso semplici link WEB.

Pertanto, le applicazioni di progetto ricadono nel comparto AgTech e più in particolare sono relativi a:
✓ lo sviluppo di un ambiente software web-based come strumento analitico (equindi fruibile dalle PMI che vendono il servizio) e prodotto finale user-friendly (dedicato alle aziende che acquistano il servizio) in ambito vitivinicolo;
✓ aumento della competitività di settore delle PMI mediante l’applicazione di tecnologie ICT e di Osservazione della Terra;
✓ aumento della competitività di settore (vitivinicolo) rendendo accessibile l’innovazione tecnologica;
✓ dare priorità all’accrescimento della produttività attraverso l’utilizzo di tecnologie abilitanti e di strategie di specializzazione smart.
Il progetto fa riferimento al mercato AgTech relativo a soluzioni innovative in ambito vitivinicolo, basato prevalentemente su tecnologie ICT e SAPR. Questi sistemi di analisi territoriale e di gestione di grandi quantità di dati evidenziano la forte propensione alla multidisciplinarietà della metodologia proposta.

Il progetto si inserisce in un contesto produttivo particolarmente interessante (PIL regionale agricoltura pari al 4,1%) con occupazione in Calabria pari al 31% circa dell’industria manifatturiera. Il mercato di riferimento al quale il progetto WITE fa riferimento è relativo alle piccole (incluse quelle individuali) e medie imprese rendendo ad esse accessibili le tecnologie innovative sviluppate dal progetto. Questo
orientamento si basa sulle seguenti osservazioni:
• dimensione artigianale delle aziende pari al 60% di quelle attive (prevalenza di imprese individuali: 65% delle imprese alimentari e delle bevande) mentre è al 22% la quota delle società di persone;
• frammentazione del comparto agroalimentare: fatturato prodotto da un gran numero di piccole aziende.
Per quello che riguarda le specializzazioni regionali, inoltre, le specificità più evidenti della composizione della produzione agroalimentare regionale (pari a 1.8 miliardi di euro nel 2014) riguardano il peso della filiera dalla vitivinicoltura e frutta (696 milioni complessivi). Tuttavia, il tessuto agro-industriale appare inadeguato presentando una incompletezza delle filiere produttive generando inefficienze produttive. Scarsa inoltre è la propensione alla diffusione dell’innovazione nonché il peso delle produzioni certificate e garantite.
Infine, in risposta all’aumento dei costi di gestione l’agricoltura di precisione rappresenta una risposta efficace (CAGR = 12.2% nel 2014-2020) e valore di mercato pari a 4.55 miliardi di $ (2020). Il comparto dell’industria dell’agricoltura (mercato di 2 trilioni di $ e un CAGR del 3-4 %), sta attirando nuove opportunità di investimento grazie all’applicazione di nuove tecnologie che stanno dando origine all’ecosistema AgTech (2015: 4.6 miliardi di $ di investimenti). In particolare, e in analogia con il progetto WITE, si fa riferimento all’utilizzo sistematico di: mobile apps, digital mapping, field sensors, big data, smart farming equipment e autonomous aeriale field vehicles.

Esigenze per l’ulteriore sviluppo – Industrializzazione:

Nell’ambito del progetto AMPA sono state realizzate diverse web-app in grado di gestire dati satellitari, SAPR e di campo sia in ambito vitivinicolo che zootecnico. Nel campo vitivinicolo sono stati sviluppati diversi prodotti che hanno permesso di strutturare un
primo DSS con lo scopo di supportare l’azienda nella gestione dei vigneti e di monitorare lo stato di avanzamento della maturazione degli uvaggi.

Nel progetto WITE verranno quindi ripresi tali aspetti e migliorati sia in termini qualitativi che in termini di velocità di processo analitico. La web-app sarà quindi costituita da diversi framework a seconda del livello di indagine e di dato acquisito. A titolo di esempio verranno considerate lo stato fisiologico dei filari, la quantificazione delle perdite di produzione, il monitoraggio dell’avanzamento della maturazione, le caratteristiche pedo-climatiche, ecc.
In riferimento al TRL-5: Technology validated in relevant environment definito dai risultati della ricerca proposta, le esigenze di sviluppo sono legate quindi al passaggio allo stadio TRL-7: System prototype demonstration in operational environment. In tale ambito, pertanto, è necessario che il modello analitico e il prototipo di web-app, previa strutturazione del modello concettuale dell’applicativo web, vengano testati in un contesto significativo reale (vigneti). Questo step rappresenta un passo fondamentale per la dimostrazione della maturità tecnologica della soluzione progettuale proposta.
Le esigenze per il completamento e l’applicazione del progetto sono pertanto relative a:
▪ individuazione di due o più vigneti posti in contesti diversi;
▪ implementazione di sistemi wireless meteoclimatici e relativi alle caratteristiche chimiche dei mosti;
▪ esecuzione di attività SAPR con possibilità di ospitare diverse tipologie di sensore.