The overall project objective was the development and implementation of an alert system for precision agriculture and environmental management related to the identification of air pollution and extreme weather events.
The project aimed to deliver a near real-time alerting system for precision agriculture through a comprehensive integrated online platform, where near real-time satellite-based products and ready-to-use information for farming would be made available for decision-making. Beyond the project duration, this system is intended to support management decisions in smart farming, recognizing that rapid response is essential to prevent negative effects on crops. Identifying, quantifying, and responding to variability remain key elements in precision agriculture.
The specific objectives focused on evaluating the temporal evolution of the physico-chemical characteristics of plants in correlation with air quality and climatic variables at a pilot site, estimating the occurrence of extreme weather phenomena, and assessing pollution events during annual vegetative cycles of crops, including the identification of influences from long-range transport of air masses.
The project was based on existing infrastructure at the didactic and research farm “Moara Domnească,” belonging to the University of Agronomic Sciences and Veterinary Medicine of Bucharest (USAMV partner). This farm, located 15 km northeast of Bucharest, served as a pilot site where doctoral, master’s, and bachelor’s students, teaching staff, and researchers prepared enhancement, research, and testing programs employing modern technologies in the field. The farm, with 253 ha of arable land, was cultivated with successive rotations of wheat, triticale hybrids, peas, sunflower, rapeseed, potatoes, alfalfa, and other crops. Several agro-meteorological stations with automatic data transmission were installed, and the farm was equipped with modern drip irrigation systems supervised by specialized personnel residing on-site.
The project also utilized the mobile laboratory of the National Institute of Development in Optoelectronics (INOE, project coordinator), featuring high-performance weather stations, point gas monitors, and aerosol lidar, alongside infrastructure and mobile monitoring equipment from The National Institute for Research & Development in Chemistry and Petrochemistry (ICECHIM partner). Additionally, time series of Earth Observation (EO) satellite data from the EU Copernicus Programme were employed to investigate and analyze the phenological development of crops by identifying characteristic differences in their seasonal development, crop health (via Sentinel-1 and Sentinel-2 satellite missions), and the evolution of air pollutants such as ozone, sulfur dioxide, nitrogen dioxide, and carbon monoxide (via Sentinel-5P satellite mission).
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:
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:
- 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.
- 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.
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.
