Comprehensive Approach to support Precision Agriculture and environmental management through satellite technologies and classic methods of investigation (CAPA)

PN-III-P2-2.1-PED-2019-3495, ctr. PED 259/2020 

Implementation period: 20.08 2020-19.08.2022

Objective: The overall project objective is the development and implementation of an alert system for precision agriculture and environmental management related to identification of air pollution and extreme weather events.

The project will have as final product a near real-time alerting system for precision agriculture using a comprehensive integrated online platform where near real time satellite-based products and ready to use information for farming will be available for decision-making. Beyond the project duration this system can be used to assist the management decisions in smart farming since response time is essential to prevent negative effects on crops. Identifying, quantifying, and responding to variability are essential in precision agriculture.

The specific objectives are focused on the evaluation of the evolution in time of the physical-chemical characteristics of plants in correlation with the air and of the climatic variables in the area of a pilot site, the estimation of the occurrence of extreme weather phenomena, but also estimation of pollution events during annual vegetative vegetation cycles of the crops with the identification of the influences of long range transport air masses.

The project is based on the infrastructure (the pilot site) already developed at the didactic and research farm "Moara Domneasca", belonging to the University of Agronomic Sciences and Veterinary Medicine of Bucharest (USAMV partner). This farm is located 15 km north-east from Bucharest. Doctoral, Masters and Bachelors students, the teaching staff and the researchers of the University prepare here enhancement, research and testing programmes using the most modern technologies in the field. The field farm (253 ha arable land) is cultivated by successive rotations of wheat, triticale hybrids, peas, sunflower, rapeseed, potatoes, alfalfa and other crops. The didactic farm has several agro-meteorological stations with automatic data transmission and all across the farm there are modern installations for drip irrigations, all being supervised by permanent specialized personnel living and working at the farm facilities.

The mobile laboratory of the National Institute of Development in Optoelectronics, (INOE Coordinator of this project), in which each instrument (high performance weather stations, point gas monitors, lidar for aerosols) and the infrastructure of The National Institute for Research & Development in Chemistry and Petrochemistry laboratories (ICECHIM partner), as well as the mobile monitoring equipment are important parts of the used infrastructure. The time series of The Earth Observation (EO) satellite data provided within the EU Copernicus Programme will be used to investigate analyse the phenological development of crops by identifying characteristic difference in their seasonal development both crop health (Sentinel 1 and Sentinel 2 satellite missions) and evolution of air pollutants as ozone, dioxide sulphur, nitrogen dioxide, carbon monoxide (Satellite S5p Sentinel 5P satellite mission).

Estimated results:

  • Report containing detailed description on the analysis of the evolution of climatic factors at regional level, estimation of the trends of the main indicators and the frequency of occurrence of extreme phenomena in the proximity of experimental field
  • Report on the main source of pollution and long range transported influencing the pilot site
  • Procedure containing analysis protocols for crops based on satellite-based biophysical parameters for monitoring the crops annual phenological cycles in the pilot area
  • Procedure containing analysis protocols for agrosystems for in-situ monitoring of the crop growth parameters and the agro-meteorological conditions (soil, water, plant).
  • Data collection during intensive experimental campaigns to quantify climate conditions, air quality and agrosystem characteristics at the pilot site during the crop growth cycles
  • Data collection during long-term monitoring of air quality parameters, solar radiation level, weather conditions, crop growth and biophysical parameters during the vegetation season in the pilot site based on in-situ and remotely-sensed data
  • Study on the analysis of climate conditions and air quality in relation to the predominant transport of air masses and crops development; identification of major influences and conditions for the occurrence of negative effects
  • analysis reports containing information regarding agro systems monitoring depending on the climatic conditions
  • procedure on correlations between air transported pollutants and crop health
  • procedure on correlations, steps for development of the alert system, validation steps of the alert system
  • technical documentation for the innovative technology implemented in the alert system
  • 2 papers submitted to ISI Journals;
  • Communication of the results-participation to conference

Etapa 1-2020: Analiza agrosistemului și a tendințelor climatice în regiunea sitului pilot

Rezumatul Etapei

În vederea realizării obiectivului general al proiectului de a dezvolta și implementa un sistem de alertă pentru agricultura de precizie și managementul mediului, prin identificarea poluării aerului și a evenimentelor meteorologice extreme, în prima etapă de implementare activitățile au fost axate pe studii  pentru identificarea principalelor surse de poluare a aerului cu influență negativă asupra culturilor agricole ( au fost realizate grafice de evoluție diurnă, sezonieră anuală a celor șapte tipuri de aerosoli identificați în zona preurbana a Bucurestiului) și a condițiilor climatice care favorizează transportul la distanță al poluanților la situl pilot, analize ale evoluției factorilor climatici (au fost realizate hărțile mediate zile cu cer senin, cer acoperit, direcția/roza vântului) la nivel regional, estimarea tendințelor indicatorilor principali (Numărul de zile de vară (SU) = numărul total de zile din fiecare an (1929-2020) în care temperatura a fost mai mare de 25°C, Numărul de zile cu brumă (FD), Numărul de zile cu îngheț (ID), Numărul de zile cu precipitații (R10MM), Lungimea sezonului de creștere (GSL), Valoarea maximă a temperaturi maxime zilnice (TXx)și analiza frecvenței apariției fenomenelor extreme în apropierea câmpului experimental. Pentru analiza aerosolilor transportați de la mare distanță va fi folosit un sistem automat de detectare a straturilor de poluare și de evaluare în timp real (NRT – near real time) a gradului de poluare folosind instrumente care funcționează automat și continuu : ceilometru (CHM15k de la compania Lufft) și fotometrul (CE318 de la compania Cimel). Acesta este implementat la instituția coordonatoare de proiect.

Câmpul experimental (zona pilot) este localizat în apropierea Bucurestiului (~16 km NW) într-o regiune preurbana, în cadrul Fermei Didactice Moara Domneasca , aparținând partenerului USAMV București, la următoarele coordonate: 44°29'53.7"N 26°15'12.8"E. Tot în cadrul acestei etape a fost  realizată procedura pentru identificarea parametrilor biofizici din date satelitare pentru monitorizarea ciclurilor anuale ale culturilor în zona pilot - NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) - Indicele normalizat de diferențiere al vegetației,EVI (Enhanced Vegetation Index) - Indicele îmbunătățit al vegetației, NDWI (Normalized Difference Water Index) - Indicele normalizat de diferențiere a apei,LAI (Leaf Area Index),FAPAR (Fraction of Absorbed Photosynthetically Active Radiation) FCOVER (Fraction of vegetation cover), VHI (Vegetation Health Index).

De asemenea au fost elaborate protocoalele pentru monitorizarea în situ a parametrilor de creștere a culturilor și a condițiilor agrometeorologice (sol, plantă,apa) detailandu-se pașii pentru identificarea terenului pilot,  eșantionare și caracterizare probe sol, apa, plante precum si modele pentru funcţionarea culturilor.         

Diseminarea rezultatelor obținute în această etapă s-a făcut prin participarea cu lucrări la două conferințe științifice internaționale (ELC2020 și PRIOCHIM 2020- prezentări orale și publicare în Proceedings), cu prezentarea proiectului la Salonul Internațional al Cercetării Științifice, Inovării și Inventicii PRO INVENT, ediția a XVIII-a, 18-20 noiembrie 2020 și cu elaborarea unei lucrări științifice care a fost submisa la revista "Remote Sensing".

Etapa 2-2021: Monitorizarea caracteristicilor fizico-chimice ale aerului, agrosistemelor și variabilelor climatice esențiale în zona sitului pilot

Rezumatul etapei

În vederea realizării obiectivului general al proiectului de a dezvolta și implementa un sistem de alertă pentru agricultura de precizie și managementul mediului, prin identificarea poluării aerului și a evenimentelor meteorologice extreme, în a doua etapă de implementare activitățile au fost axate pe  monitorizarea caracteristicilor   fizico-chimice ale aerului (temperatura, umiditate, directia si intensitatea aerului, a concentratiilor de dioxid de azot, ozon, THC, noxe, SO2), agrosistemelor (apa, sol, planta) și indicilor climatice esențiale pentru agricultura  (cer senin, cer acoperit,numărul de zile cu brumă, Numărul de zile cu îngheț (ID), Numărul de zile cu precipitații (R10MM), Lungimea sezonului de creștere (GSL), Valoarea maximă a temperaturii zilnice) în zona sitului pilot (grau de toamna in perioada de campanie 2020-2021), prin inregistrarea in baza de date a proiectului a parametrilor determinanti ai calității aerului, nivelul radiației solare, condițiile meteorologice, creșterea culturilor și parametrii biofizici în timpul sezonului de vegetație pe baza datelor in situ (inaltimea culturii, numarul de frunze per planta, dimensiunea frunzei principale, biomasa prospata, biomasa uscata, umiditatea plantei si respectiv cantitatea de clorofila , continutul de Pb si Cr in diferite organe de planta) și de teledetectie (NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) - Indicele normalizat de diferențiere al vegetației, EVI (Enhanced Vegetation Index) - Indicele îmbunătățit al vegetației, NDWI (Normalized Difference Water Index) - Indicele normalizat de diferențiere a apei,LAI (Leaf Area Index),FAPAR (Fraction of Absorbed Photosynthetically Active Radiation) FCOVER (Fraction of vegetation cover), VHI (Vegetation Health Index). (Colectie de date Livrabilul nr. 1).

Au fost organizate campanii experimentale intense pentru cuantificarea condițiilor climatice, a calității aerului și a caracteristicilor agrosistemului la lotul pilot, aparținând partenerului USAMV București, la următoarele coordonate: 44°29'53.7"N 26°15'12.8"E. Au fost respectate protocoalele de recoltare probe (descrise in raportul stiintific nr.1/ 2020) în timpul ciclurilor de creștere a culturilor, iar datele au fost salvate intr-un subset specific pentru folosirea ulterioara pentru indeplinirea obiectivelor din etapa urmatoare a proiectului (Colectie de date-Livrabilul nr. 2). Câmpul experimental-zona pilot este localizat în apropierea Bucurestiului (~16 km NW) într-o regiune preurbana, în cadrul Fermei Didactice Moara Domneasca.

Poze din timpul campaniei 2021, zona experimentala lot-pilot din cadrul Fermei Didactice Moara Domneasca ,Ilfov aparținând partenerului USAMV București, la următoarele coordonate: 44°29'53.7"N 26°15'12.8"E:

 PicturePicturePicturePicturePicture

 

PicturePicturePicturePicturePicture
 

A fost realizat un studiu de analiza a condițiilor climatice și a calității aerului în raport cu transportul predominant de mase de aer și dezvoltarea culturilor prin identificarea influențelor majore și a condițiilor pentru apariția efectelor negative (Livrabil nr.3).      

A fost realizata monitorizarea agrosistemelor în zona țintă prin identificarea și cuantificarea principalelor tipuri de poluanți organici și anorganici prezenți în apă, sol și plante în funcție de condițiile climatice si obtinute rapoartele de analiza cu aceste informatii (rapoarte de analiza-Livrabilul nr. 4)

A fost publicata lucrarea stiintifica intitulata “Natural Ingredients in Functional Coatings—Recent Advances and Future Challenges” autori: Fierascu, R.C.; Fierascu, I.; Chican, I.E.. in revista- Coatings 2021, 11, 429; Articolul este disponibil oline la adresa :  https://doi.org/10.3390/coatings11040429 (Livrabilul nr.5).

Rezultatele activitatilor si proiectul au fost partial valorificate si prezentate la conferinta internationala European Lidar Conference 2021, Granda, Spania:

  1. in cadrul sesiunii 5 “Open topics- synergies” S05O01-de catre Anca Nemuc (INOE), lucrarea intitulata: ”Aerosol layer height from ground based active remote sensing and satellite ALH product of S5P/TROPOMI” autori: A. Nemuc, M. Boldeanu, A. Dandocsi, M. Adam and V. Nicolae, experti ai institutiei coordonatoare de proiect impreuna cu expert din cadrul Agentiei Spatiale Europene.
  2. In cadrul sesiunii 1 -“Lidar technology” S1O03 de catre Livio Belegante (INOE), lucrarea intitulata “Development of a satellite altimeter for the planetary defence program HERA” , autori L. Belegante, A. Nemuc, T. Sousa, V. Granadeiro and P. Gordo

 Programul stiintific al conferintei este disponibil online la adresa: https://granada-en.congresoseci.com/elc2021/elc2021_scientific_program_webversion!. 

Partenerul ICECHIM  a participat cu proiectul si a fost medaliat la doua targuri internationale: ICIR EUROINVENT–International Conference on Innovative Research 2021 si la prima ediţie a Salonului Internaţional de Inventică InventCor 2020, Deva 16-18 decembrie 2020.

PicturePicturePicturePicturePicture


 

Etapa 3: Analiza impactului condițiilor climatice și a poluării aerului la situl pilot și implementarea unui sistem de alarmă util pentru agricultura de precizie

Rezumatul etapei

În vederea realizării obiectivului general al proiectului de a dezvolta și implementa un sistem de alertă pentru agricultura de precizie și managementul mediului, prin identificarea poluării aerului și a evenimentelor meteorologice extreme, în a treia etapă de implementare activitățile au fost axate pe urmatoarle activitati: →Identificarea corelațiilor dintre variațiile de temperatură, umiditate, precipitații și sănătatea culturilor la situl pilot;→Identificarea corelațiilor dintre poluanții atmosferici din surse de proximitate sau distanță și sănătatea culturilor în situl pilot folosind tehnologii de observare a Pământului și metode clasice de investigare;→Elaborarea și implementarea procedurilor de alarmă pentru apariția fenomenelor meteorologice extreme și a evenimentelor de poluare a aerului;→Diseminare si comunicare

A fost realizata procedura privind corelațiile dintre poluanții transportați în aer și sănătatea culturilor (Livrabilul 3.1)

A fost realizata si implementata procedura privind corelațiile, etapele de dezvoltare a sistemului de alertă, etapele de validare a sistemului de alertă (Livrabilul 3.2)

A fost elaborat si implementat un demonstrator experimental -instrument online-sistem de alertare INOE: http://capa.inoe.ro (Livrabilul 3.3)

A fost elaborata documentația tehnică pentru procedura inovativă implementată în sistemul de alertă(„Procedeu de integrare a datelor satelitare și de la sol într-un sistem de alerta în caz de poluare atmosferică și de apariție a unui eveniment meteorologic extrem în ajutorul agriculturii de precizie”) si depusa la OSIM (Oficiul de Stat pentru Invenții și Mărci) in vederea obtinerii unui brevet de inventie ( nr de inregistrare OSIM: A2022/00487/10.08.2022 (Livrabilul nr.3.4)

A fost organizat si a avut loc un eveniment social media in data de 8 iulie 2022 la care au participat atat partnerii din proiect cat si invitati din alte institutii de cercetare si universitati (Livrabilul 3.5)

A fost publicata lucrarea stiintifica intitulata “Changes in the Aerosol Properties during Pandemic Restrictions in Romania” autori: Victor Nicolae, Sabina Sefan, Anca Nemuc; in revista cotata ISI Romanian Journal of Physics 67, 809 (2022) si este disponibil online la adresa :  https://rjp.nipne.ro/2022_67_5-6/RomJPhys.67.809.pdf  (Livrabilul nr.3.7)

                Rezultatele activitatilor si proiectul au fost partial valorificate si prezentate la conferinta internationala virtuala „ACTRIS Science Conference” in perioada 11-13 Mai 2022. Agenda evenimentului este disponibila online la adresa: https://www.actris.eu/sites/default/files/inline-files/2022%20ACTRIS%20SC%20Agenda.pdf; Abstractele conferintei au fost publicate online in REPORT SERIES IN AEROSOL SCIENCE No 250 (2022): http://www.faar.fi/wp-content/uploads/2022/04/RS250_AbstractBook_ACTRIS_SC_2022.pdf; lucrarea prezentata oral de dna Anca Nemuc este intitulata: „Long-range transported smoke from Ukraine as seen in Bucharest by ACTRIS instruments” (livrabilul nr.3.6.)

Site-ului web al proiectului a fost actualizat: http://environment.inoe.ro/article/253/about-capa.

 

Fig. 1. Interfața aplicației web în care este integrat sistemul de alertare http://capa.inoe.ro

 

PicturePicturePicturePicture

Fig. 2. Harta evoluției indicilor de evaluare a sănătății plantelor NDVI, EVI și LAI pentru site-ul experimental Moara Domnească în perioada martie-iulie 2022