Εφαρμογή γεωργίας ακριβείας σε καλλιέργεια επιτραπέζιων σταφυλιών

Abstract

Precision Agriculture (PA) is a relatively new farming practice that can help sustain agricultural production and meet the current challenges of agriculture. The purpose of this dissertation was the application of precision agriculture in table grapes, using remote sensing sensors and methods of geospatial data analysis for the non-destructive assessment of qualitative and quantitative parameters of yield, and the delineation of management zones. The study was carried out in a commercial vineyard of 1.4 hectares, in the greater area of Corinth in Greece for the years 2015, 2016 and 2017. The vineyard was divided into 36 sub-plots, in which sampling of soil and grape berries were performed for laboratory analysis. In addition, measurements were made using remote sensing sensors (satellites and canopy sensors mounted on an agricultural tractor) to assess plant growth using vegetation indices, and an electromagnetic induction sensor to measure soil electrical conductivity. At the same time, the meteorological data were recorded, in order to evaluate their effect on the spatio-temporal variability of the final quality and quantity of production of table grapes. The results of the spatio-temporal analysis of meteorological and soil data showed that climatic conditions are the most important factor, which affects the quantity and quality produced, while from the soil parameters, the percentage of silt, sand and available moisture affected the quantity produced for the three years. However, the analysis of the effect of each soil parameter per crop year, showed a different degree of correlation for both quantitative and qualitative characteristics of production. At the same time, the spatio-temporal stability of the management zones at sub-plot level was evaluated, from which it was found that there is a different trend of spatio-temporal stability for each cultivated parameter examined, while the stability of the management zones for selective harvest, based on maturity and yield, was low. In addition, a comparison was made between proximal and satellite remote sensing for the nondestructive estimation of quality and quantity parameters of table grapes, which showed that proximal remote sensing is distinguished by timely and greater accuracy in estimating crop yield characteristics, when compared to satellite remote sensing. A comparison was made between simple and cumulative vegetation indices based on the GNDVI (Green Normalized Difference Vegetation Index) and presented higher correlation coefficients with yield per hectare, berry diameter and sugars compared to other indices. The data from the canopy sensor and the electrical conductivity sensor were used to develop a highresolution data fusion methodology through multifactorial geostatistical analysis to determine management zones. The previous analysis showed that the vineyard presents small area variability per year, which can be managed only by high resolution variable rate application practices, and not by delineation of management zones. From the above analysis and the results obtained, it is understood that PA can play an important role in the sustainable management of vineyards, and in the production of high quality and quantity of table grapes, as long as the limitations arising from its application are taken into account. Future research to further investigate the application of PA to table grapes should include the application of variable rate application farming practices (eg irrigation, fertilization), the evaluation of additional specialized types of sensors (e.g. LIDAR), and the effect of additional climatic parameters (eg sunshine hours, UV radiation) in the spatio-temporal variability of the characteristics of table grapes, as well as the evaluation of different data fusion methods. Finally, future research could include an assessment of the effect of spatial and temporal variability on post-harvest product management, and on the analysis of the life cycle of table grape production.

Η Γεωργία Ακριβείας (ΓΑ) αποτελεί μια σχετικά καινούρια πρακτική καλλιέργειας, η οποία μπορεί να βοηθήσει στην αειφορία της γεωργικής παραγωγής, και στην αντιμετώπιση των σύγχρονων προκλήσεων της γεωργίας. Σκοπός της παρούσας διατριβής, ήταν η εφαρμογή γεωργίας ακριβείας σε επιτραπέζια σταφύλια, με τη χρήση αισθητήρων τηλεπισκόπησης και μεθόδων ανάλυσης γεωχωρικών δεδομένων για τη μη καταστροφική εκτίμηση ποιοτικών και ποσοτικών παραμέτρων της απόδοσης, και τη δημιουργία ζωνών διαχείρισης. Η μελέτη πραγματοποιήθηκε σε εμπορικό αμπελώνα έκτασης 1.4 εκταρίων, στην ευρύτερη περιοχή της Κορίνθου στην Ελλάδα για τα έτη 2015, 2016 και 2017. Ο αμπελώνας χωρίστηκε σε 36 υποτεμάχια, από όπου πραγματοποιήθηκαν συλλογές δειγμάτων εδάφους και ραγών για εργαστηριακές αναλύσεις. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις με τη χρήση αισθητήρων τηλεπισκόπησης (δορυφόροι και αισθητήρας φυλλώματος εποχούμενοι σε γεωργικό ελκυστήρα), για την αξιολόγηση της πορείας ανάπτυξης των φυτών με τη χρήση δεικτών βλάστησης, και αισθητήρα ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής για τη μέτρηση της ηλεκτρικής αγωγιμότητας του εδάφους. Παράλληλα, καταγράφηκαν τα μετεωρολογικά δεδομένα, με σκοπό την αξιολόγηση της επίδρασής τους στη χωροχρονική παραλλακτικότητα της τελικής ποιότητας και ποσότητας παραγωγής των επιτραπέζιων σταφυλιών. Τα αποτέλεσματα της χωροχρονικής ανάλυσης των μετεωρολογικών και εδαφικών δεδομένων, έδειξαν ότι οι κλιματολογικές συνθήκες αποτελούν τον πιο σημαντικό παράγοντα, που επηρεάζει την παραγόμενη ποσότητα και ποιότητα, ενώ από τις παραμέτρους του εδάφους, το ποσοστό της ιλύος, της άμμου και της διαθέσιμης υγρασίας επηρέασε την παραγόμενη ποσότητα για τα τρία έτη. Εντούτοις η ανάλυση της επίδρασης της κάθε εδαφικής παραμέτρου ανά καλλιεργητικό έτος, παρουσίασε διαφορετικό βαθμό συσχέτισης τόσο για τα ποσοτικά όσο και για τα ποιοτικά χαρακτηριστικά της παραγωγής. Παράλληλα αξιολογήθηκε η χωροχρονική σταθερότητα των ζωνών διαχείρισης σε επίπεδο υποτεμαχίου, από όπου και διαπιστώθηκε ότι εμαφανίζεται διαφορετική τάση χωροχρονικής σταθερότητας για κάθε εξετασθείσα καλλιεργητική παράμετρο, ενώ οι ζώνες διαχείρισης για επιλεκτική συγκομιδή, βάσει της ωριμότητας και της απόδοσης, παρουσίασαν χαμηλή χωρική και χρονική σταθερότητα. Επιπρόσθετα πραγματοποιήθηκε σύγκριση ανάμεσα στην επίγεια και δορυφορική τηλεπισκόπηση για την μη καταστροφική εκτίμηση παραμέτρων ποιότητας και ποσότητας του επιτραπέζιου σταφυλιού, η οποία έδειξε ότι η επίγεια τηλεπισκόπηση διακρίνεται από έγκαιρη και μεγαλύτερη ακρίβεια εκτίμησης των χαρακτηριστικών απόδοσης των καλλιεργειών, συγκριτικά με τις αντίστοιχες δορυφορικές εκτιμήσεις. Πραγματοποιήθηκε σύγκριση ανάμεσα σε απλούς και σωρευτικούς δείκτες βλάστησης οι όποιοι βασίστηκαν στο GNDVI (Green Normalized Difference Vegetation Index) και παρουσίασαν υψηλότερους συντελεστές συσχέτισης με την απόδοση ανά εκτάριο, τη διάμετρο ράγας και τα σάκχαρα συγκριτικά με άλλους δείκτες βλάστησης. Τα δεδομένα από τον αισθητήρα φυλλώματος και τον αισθητήρα ηλεκτρικής αγωγιμότητας, χρησιμοποιήθηκαν για την ανάπτυξη μεθοδολογίας σύντηξης δεδομένων υψηλής ανάλυσης μέσω πολυπαραγοντικής γεωστατιστικής ανάλυσης για τον καθορισμό ζωνών διαχείρισης. Από την προηγούμενη ανάλυση προέκυψε ότι ο αμπελώνας εμφανίζει μικρής έκτασης παραλλακτικότητα ανά έτος, η οποία μπορεί να διαχειριστεί μόνο με πρακτικές διαφορικής εφαρμογής υψηλής ανάλυσης, και όχι με καθορισμό ζωνών διαχείρισης. Από τις προαναφερθείσες αναλύσεις και τα εξαχθέντα αποτελέσματα, είναι κατανοητό ότι η ΓΑ μπορεί να επιτελέσει σημαντικό ρόλο στην αειφόρο διαχείριση αμπελώνων, και στη παραγωγή υψηλής ποιότητας και ποσότητας επιτραπέζιων σταφυλιών, αρκεί να ληφθούν υπόψιν περιορισμοί που απορρέουν από την εφαρμογή της. Μελλοντική έρευνα για την περαιτέρω διερεύνηση της εφαρμογής ΓΑ σε επιτραπέζια σταφύλια, θα πρέπει να περιλαμβάνει την εφαρμογή διαφορικών καλλιεργητικών πρακτικών (π.χ. άρδευση, λίπανση), την αξιολόγηση πρόσθετων εξειδικευμένων τύπων αισθητήρων (π.χ. LIDAR), και την επίδραση και πρόσθετων κλιματικών παραμέτρων (π.χ. ώρες ηλιοφάνειας, UV ακτινολοβία) στη χωροχρονική παραλλακτικότητα των χαρακτηριστικών των επιτραπέζιων σταφυλιών, καθώς και την αξιολόγηση διαφορετικών μεθόδων σύντηξης δεδομένων. Τέλος, η μελλοντική έρευνα θα μπορούσε να περιλαμβάνει αξιολόγηση της επίδρασης της χωρικής και χρονικής παραλλακτικότητας στη μετασυλλεκτική διαχείριση του προϊόντος, και στην ανάλυση του κύκλου ζωής της παραγωγής των επιτραπέζιων σταφυλιών.