Improvement of spray application process in greenhouse tomato crop : assessment of adapted spraying technologies and methods for canopy characterization

Abstract

Vegetable production in greenhouses is an important and productive economic activity for agricultural businesses in Southern Europe. One of the most risky factors affecting this activity is the use of plant protection products (PPP). Several studies have demonstrated that the use of vertical boom sprayers in greenhouses has several advantages over that of traditional spray guns, such as improved spray distribution, reduced labour costs, and reduced operator exposure. On the other hand, canopy characterization is important for a better adjustment of the amount of pesticide/mixture sprayed, and is a key factor in spray process improvement enabling a significant reduction in the quantity of PPP used, which increases the efficiency of the process. The main objective of this doctoral thesis is to improve the efficiency of the pesticide application process for greenhouse crops by two actions were planned: a) adding an air assistance device to a manually pulled trolley with vertical booms, b) developing a method for canopy characterization. The effect of the addition of the air assistance on a modified hand-held pulled trolley sprayer was evaluated using two different crop fields (tomato with high and low canopy density) and several sprayer types (nozzle type, air assistance, and spray volume). Deposition on the canopy, deposition coverage, and deposition distribution uniformity have been assessed. No significant differences on deposition were obtained with the reference system applying high volume rate compared to modified trolley with air assistance and low volume rate. In general air assistance and flat fan nozzles reduce volume rates while maintaining or improving spray quality distribution. Furthermore, the influence of air-assistance characteristics on spray application was evaluated. For this reason, field tests were arranged for three different sprayers: 1) a modified hand-held trolley sprayer with air assistance high and low velocity; 2) a self-propelled sprayer specifically designed for greenhouse pesticide applications; 3) an autonomous self-propelled sprayer commanded by remote control. Each sprayer was assessed by liquid and air vertical distribution. The evaluation was done considering normalised canopy deposition and liquid losses to the ground. The results indicated that increasing the air velocity does not increase the efficiency of the spray application. In general, the modified hand-held trolley sprayer showed the best results in terms of deposition and uniformity of distribution. These results were confirmed through an evaluation of air uniformity and liquid distribution. The characterization of the canopy was carried out in three different commercial tomato greenhouses, all of which contained crops planted in a twin-row system. Electronic characterization was performed using a LiDAR sensor (LMS-200, SICK) with an 180° angle measurement by scanning a pair of plants from both sides. The main parameters obtained were canopy height, width, and volume, and leaf area. From these parameters, other important parameters were as tree row volume, leaf wall area, leaf area index. A general overview of the results showed an overestimation of the parameters measured manually because of the high definition of the profile obtained with this sensor. An estimation of the canopy volume with the electronic device was shown to be a reliable method for estimating the canopy height, volume, and density. With this sensor was possible to assess the high variability of the canopy density along a row. The determination of the amount of PPP necessary for adequate control of pests and diseases should be adjusted according to the characteristics of the subject canopy. Advancements in spraying techniques that enable fast and robust characterization of major canopy parameters, and advancements in efficient spray distribution technology are essential for improved pesticide spray applications.

La producció de vegetals en hivernacle representa una activitat econòmica i productiva important en l'agricultura del Sud d'Europa. Un dels factors de més risc que afecta aquesta activitat està directament relacionat amb l'ús de productes fitosanitaris. Diversos estudis han demostrat que l'ús de carretons de polvorització amb barres verticals millora la distribució de la polvorització en comparació a les pistoles y llances, reduint els costos de treball i el risc d'exposició de l'operari. D'altra banda, la caracterització del cultiu és un factor clau per a millorar el procés de polvorització millorant l'ajust de la dosificació de producte, permetent una reducció considerable de la quantitat total de pesticida, incrementant l'eficiència del procés general. L'objectiu principal d'aquesta tesi és millorar l'eficiència del procés d'aplicació de pesticides en hivernacles adaptant la polvorització a la vegetació a través de dues accions: a) afegint assistència d'aire a un carretó amb barres verticals arrossegat manualment, i b) desenvolupant un mètode per a la caracterització de la vegetació. La incorporació d'aire en un carretó de polvorització modificat va ser avaluada en dues vegetacions diferents (alta i baixa densitat) i amb varies configuracions diferents (tipus de broquet, assistència d'aire i volum d'aplicació). Es va avaluar la deposició de producte en el cultiu, el recobriment i la uniformitat de la distribució. La deposició obtinguda amb el sistema de referència a volum d'aplicació alt en comparació al carretó amb aire i volum d'aplicació baix no presenta diferències significatives. En general l'assistència d'aire i els broquets de ventall permeten reduir el volum d'aplicació mantenint la qualitat de la distribució de la polvorització. D'altra banda, es va avaluar la influència de la assistència d'aire en la polvorització amb tres màquines diferents: 1) un carretó de polvorització modificat amb assistència d'aire alt i baix; 2) un polvoritzador autopropulsat; 3) un polvoritzador controlat per radio control. Es va caracteritzar cada màquina amb la distribució vertical del líquid i de la velocitat de l'aire. L'avaluació es va fer considerant la deposició de producte en la vegetació i les pèrdues al sòl. Els resultats indiquen que un increment de la velocitat de l'aire no implica una millora de la eficiència de la polvorització. En general, el carretó modificat mostra millors resultats en termes de deposició i uniformitat de la distribució. Aquests resultats han estat confirmats a través de la avaluació de la uniformitat de la distribució de l'aire i el líquid. La caracterització de la vegetació es va realitzar amb tres cultius diferents de tomàquet produït en hivernacle plantats en sistema de parelles. La caracterització electrònica es va realitzar amb un sensor LiDAR (LMS 200, SICK) de 180º d'angle de mesura, escanejant cada parella de plantes per les dues cares de la vegetació. Els paràmetres principals mesurats van ser: alçada, amplada i volum del cultiu i àrea foliar. A partir d'aquestes dades es van poder calcular altres paràmetres importants com el Tree Row Volume, el Leaf Wall Area i l'index d'area foliar. Els resultats mostren una sobre estimació dels paràmetres obtinguts amb els mètodes manuals a causa de l'elevada resolució del perfil a través del sensor. L'alçada de la vegetació, el volum i la densitat es poden estimar de forma fiable a través del volum de vegetació obtingut amb el sensor. Amb aquest sensor es pot avaluar de la variabilitat de la vegetació al llarg de la fila. La determinació de la quantitat de pesticida a aplicar per a un adequat control de plagues i malalties s'ha d'ajustar segons la quantitat de vegetació. El desenvolupament de tècniques que permetin determinar els principals paràmetres del cultiu de manera ràpida i fàcil, així com el desenvolupament de tecnologies que permetin una distribució més eficient del producte, són fonamentals per a una millor aplicació d'aquests productes.

La producción de vegetales en invernadero representa una actividad económica y productiva importante en la agricultura del Sur de Europa. Uno de los factores de más riesgo afectando los parámetros económicos, medioambientales y productivos está directamente relacionado con el uso de productos fitosanitarios. La tecnología más usada para la aplicación de estos productos son las pistolas y lanzas de pulverización. Aun así, diversos estudios han demostrado que, en comparación con las pistolas, el uso de carretillas de pulverización con barras verticales mejora la distribución de la pulverización y reduce los costes de trabajo y el riesgo de exposición del operario. Por otro lado, para mejorar el proceso de pulverización, la caracterización del cultivo es un factor clave en un mejor ajuste de la dosificación del producto, permitiendo una reducción considerable de la cantidad total de pesticida, incrementando la eficiencia del proceso. El principal objetivo de esta tesis es mejorar la eficiencia del proceso de aplicación de pesticidas en invernaderos adaptando la pulverización a la vegetación mediante dos acciones: a) añadiendo asistencia de aire a una carretilla con barras verticales arrastrada manualmente, y b) desarrollando un método para la caracterización de la vegetación. En esta investigación se ha evaluado la adecuación y beneficios de un nuevo prototipo de carretilla con asistencia de aire comparada con la tecnología utilizada habitualmente. En relación a las características de la vegetación, se ha desarrollado una nueva metodología para ser aplicada en tomate de invernadero. La incorporación de aire se probó en una carretilla de pulverización modificada. Ésta fue evaluada en dos vegetaciones diferentes (alta y baja densidad) y con varias configuraciones distintas (tipo de boquilla, asistencia de aire y volumen de aplicación). Para este estudio se evaluó la deposición de producto en el cultivo, el recubrimiento y la uniformidad de la distribución. La deposición en las hojas y la penetración en el cultivo utilizando las boquillas de abanico y asistencia de aire es significativamente más alta en los volúmenes de aplicación alto y bajo. La deposición obtenida con el sistema de referencia a volumen de aplicación alto en comparación a la carretilla con aire y volumen de aplicación bajo no presenta diferencias significativas. En general la asistencia de aire y las boquillas de abanico permiten reducir el volumen de aplicación manteniendo la calidad de la distribución de la pulverización. Por otro lado, también en cultivo de tomate en invernadero, se evaluó la influencia de la asistencia de aire en la pulverización con tres máquinas diferentes: 1) una carretilla arrastrada manualmente con asistencia de aire alta y asistencia de aire baja; 2) un pulverizador autopropulsado; 3) un pulverizador controlado por radio control. Todos los pulverizadores se evaluaron considerando la deposición de producto en la vegetación y su uniformidad, y las pérdidas en el suelo. Además se evaluó la distribución vertical del líquido y de la velocidad del aire y se comparó con los perfiles de vegetación y de distribución de deposición. Los resultados indican que un incremento de la velocidad del aire no implica una mejora de la eficiencia de la pulverización. En general, la carretilla modificada muestra los mejores resultados en términos de deposición y uniformidad de la distribución, especialmente con asistencia de aire baja. Estos resultados han sido confirmados mediante la evaluación de la uniformidad de la distribución del aire y del líquido. Las características del cultivo se han determinado con un sensor terrestre LiDAR 2D. Los experimentos se realizaron en tres cultivos distintos de tomate en invernadero plantados en sistema pareado. La caracterización electrónica se realizó con un sensor LiDAR (LMS‐200, SICK) de 180º de ángulo de medida, escaneando cada pareja de plantas por las dos caras. Los parámetros principales medidos fueron: altura, anchura y volumen del cultivo y el área foliar. A partir de estos datos se pudieron calcular otros parámetros importantes como el Tree Row Volume (TRV), el Leaf Wall Area (LWA), el Indice de Area Foliar (LAI) y el índice de densidad foliar (LAD). En general los resultados muestran una sobreestimación de los parámetros obtenidos con los métodos manuales debido a la alta resolución del perfil medido por el sensor. La altura de la vegetación, el volumen y la densidad se pueden estimar de forma fiable a través del volumen de la vegetación obtenido con el sensor. Además este sensor permite la evaluación de la variabilidad del dosel a lo largo de la fila, siendo importante para la generación de mapas de vegetación.