Tecnologías emergentes y agricultura de precisión en cultivos tridimensionales : implementación y mejora de las técnicas de aplicación de fitosanitarios en viña

Abstract

The use of plant protection products (PPP) has become an essential tool in agriculture to achieve the minimum requirements of quality and quantity of food demanded by consumers. Moreover, due to its repeated use throughout the campaign, it is one of the most complex strategies in agriculture, due to the concern for achieving products free of pests and diseases, free of residues, and avoiding environmental risks. The recently published Farm to Fork Strategy aims at the difficult task of reducing the amount of hazardous pesticides used by 50 % by 2030. From the moment this strategy was published, it gained importance the implementation of improvements in application techniques to increase the effectiveness and efficiency of treatments. This is especially relevant in specialty crops such as orchards or vineyards, where the use of PPP is very high, compared with the case of field crops. In addition, this type of crops is characterised by a high degree of spatial variability in terms of the canopy structural characteristics, which makes it difficult to achieve a safe and effective application of pesticides.

In this sense, variable rate application technology can reduce the effect of intra-plot variability, adjusting the volume rate to the canopy characteristics at each point, achieving a much more rational distribution of the plant protection product and more adjusted to the canopy than those carried out homogeneously. Currently, three types of variable rate application technology are known: 1) based on real-time sensors, 2) based on prescription maps, and 3) a combination of the two previous ones. Although variable rate application systems based on real-time sensors eliminate the need for prior knowledge of the crop, this technology has not been practically implemented in the viticulture sector. This contrasts with the adoption of vegetation maps acquired using remote sensing, which has been in commercial use for vineyard management for more than ten years. Among the management operations in which vegetation maps can have a greater impact is that of plant protection application, which is currently at an incipient level of implementation. For this reason, the main objective or this doctoral thesis, structured in three research publications, is to adapt and incorporate variable application technologies based on prescription maps to improve the efficacy and efficiency of treatments in the vineyard.

The first research publication of the thesis was focused on the design, fine-tuning and field validation of a prototype of variable rate application based on prescription maps for vineyards. The article includes the whole process of variable map-based spraying, from the creation of the prescription map to obtaining the actual application map. The obtained results showed the possibility of saving up to 47.3 % of the amount of PPP concerning conventional treatment, demonstrating that it is possible to adapt, with the corresponding changes and adjustments, the available technology to the specific case of the vineyard. The main objective of the second research publication was the evaluation of the quality of the distribution of PPP on the vines and the evaluation of the biological efficacy of the applications during a complete campaign of treatments. During the research, the degree of adoption of the variable rate application system on a commercial farm and the possibility of implementing the technology in its annual treatment program were evaluated. A total of 28 treatments were carried out using the map based variable rate technology, obtaining in all treatments and vigour zones a coverage between 20 and 40 %, considered adequate values to guarantee pest/disease control in any spraying process. In terms of biological efficacy, the same levels of control were maintained as in the conventional treatments, and no significant differences were found between them. Although it was demonstrated that the variable rate application system allowed.

El uso de productos fitosanitarios se ha convertido en una herramienta esencial en la agricultura para lograr los requisitos mínimos de calidad y cantidad de alimentos demandados por los consumidores. Además, debido a su reiterado uso durante toda la campaña, lo convierten en una de las estrategias más complejas de la agricultura actual, debido a la preocupación por conseguir productos libres de plagas y enfermedades, libres de residuos, y evitando los posibles riesgos medioambientales. A partir de la recientemente publicada Estrategia de la Granja a la Mesa, que tiene como objetivo la difícil tarea de reducir el 50 % la cantidad de plaguicidas peligrosos utilizados antes del año 2030, cobra cada vez mayor importancia la implementación de mejoras en las técnicas de aplicación que permitan aumentar la eficacia y la eficiencia de los tratamientos y, consecuentemente, la potencial reducción de la cantidad de plaguicidas utilizados. Esta estrategia es especialmente importante en los cultivos especiales como los frutales o la viña, donde el uso de productos fitosanitarios es muy elevado, en comparación con lo que sucede en el caso de cultivos herbáceos. Además, este tipo de cultivos se caracterizan por presentar un alto grado de variabilidad espacial en cuanto a las características estructurales de la vegetación, lo que dificulta lograr una aplicación segura y eficaz de los productos fitosanitarios. En este sentido, la tecnología de aplicación variable es capaz de reducir el efecto de la variabilidad intraparcelaria ajustando el volumen de caldo a las características de la vegetación en cada punto, consiguiendo de esta forma una distribución del producto fitosanitario mucho más racional y más ajustada a la vegetación que los realizados de manera homogénea. Actualmente, se conocen tres tipos de tecnología de aplicación variable: 1) basada en la aplicación en tiempo real a partir de información obtenida por sensores, 2) fundamentada en mapas de prescripción, y 3) una combinación de las dos anteriores. Aunque los sistemas de aplicación variable en base a sensores en tiempo real eliminan la necesidad del conocimiento previo del cultivo, esta tecnología no se ha implementado de forma práctica en el sector vitícola. Esto contrasta con la adopción de los mapas de vegetación obtenidos con sensores remotos, que por el contrario llevan más de diez años utilizándose comercialmente para la gestión del viñedo. Entre las operaciones de manejo en las que los mapas de vegetación pueden tener un mayor impacto, está la de la aplicación de fitosanitarios que se encuentra en estos momentos en un nivel de implementación incipiente. Por este motivo, el objetivo principal de esta tesis doctoral, estructurada en tres artículos científicos, es adecuar e incorporar tecnologías de aplicación variable en base a mapas de prescripción para la mejora de la eficacia y la eficiencia de los tratamientos en el cultivo de la viña. El primer artículo de la tesis se fundamenta en el diseño, puesta a punto y validación en campo de un prototipo de aplicación variable en base a mapas de prescripción para el cultivo de la vid. En el artículo se incluye todo el proceso de pulverización variable en base a mapas, desde la creación del mapa de prescripción hasta la obtención del mapa de aplicación real. Los resultados obtenidos muestran la posibilidad de ahorrar hasta un 47.3 % de la cantidad de producto fitosanitario respecto a un tratamiento convencional, demostrando que es posible adaptar, con los correspondientes cambios y ajustes, la tecnología disponible al caso específico del cultivo de la viña. El objetivo principal del segundo artículo científico es la evaluación de la calidad de la distribución del producto fitosanitario sobre la planta y la evaluación de la eficacia biológica de las aplicaciones durante una campaña completa de tratamientos. Durante la investigación se evaluó el grado de adopción del sistema de aplicación variable en una finca comercial y la posibilidad de instaurar esta tecnología en su programa anual de tratamientos. Se realizaron un total de 28 tratamientos empleando la tecnología de aplicación variable en base a mapas, obteniéndose en todos los tratamientos y zonas de vigor un recubrimiento entre el 20 y el 40 %, considerándose valores adecuados para garantizar el control de plagas/enfermedades en cualquier proceso de pulverización. En cuanto a la eficacia biológica, se mantuvieron los mismos niveles de control que los tratamientos convencionales, no encontrándose diferencias significativas entre ambos. Aunque se demostró que el sistema de aplicación variable permitió ajustar el volumen de aplicación en todo momento a las características de la vegetación, no ocurriendo lo mismo en la aplicación convencional, donde en algún momento de la campaña se tuvo que doblar el volumen de aplicación para conseguir controlar la plaga. La metodología de trabajo utilizada durante el primer y segundo artículo de esta tesis se fundamentó en la determinación de la variabilidad de la viña mediante imágenes aéreas obtenidas con vehículos aéreos no tripulados (UAV) y la posterior caracterización de la vegetación de manera manual como método para su validación. La determinación de las características estructurales de la vegetación permitió, en ambos casos, determinar el volumen óptimo para cada una de las zonas de vigor identificadas, a partir del empleo de la aplicación Dosaviña®. Teniendo en cuenta que esta parte del proceso de caracterización de la vegetación y su posterior comprobación manual, puede ser una limitación para la introducción de la tecnología en el sector vitícola, se investigó la posibilidad de evaluar las características de la vegetación de forma automática, a partir de la obtención y análisis de sus datos espectrales. Por este motivo, el tercer artículo de esta tesis se centra en obtener modelos de regresión lineal capaces de relacionar la información obtenida a partir de la caracterización manual de la vegetación con información espectral obtenida por diferentes plataformas aéreas (UAV y satélite). Para ello, se caracterizaron manualmente 1,400 cepas, determinando en cada uno de los casos la altura, la anchura, el Tree Row Volume (TRV) y el Leaf Wall Area (LWA). Además, se obtuvo el valor de NDVI a partir de los datos obtenidos con las diferentes plataformas aéreas empeladas. Las relaciones entre la caracterización manual de la vegetación y los datos obtenidos con el UAV arrojaron coeficientes de determinación entre 0.84 y 0.94, mientras que los obtenidos con el satélite (PlanetScope) fueron en torno a 0.5. Estos resultados indicaron que es posible obtener mapas de prescripción a partir de los datos obtenidos con el UAV y que existe una cierta tendencia positiva que invita a seguir investigando la potencialidad de los satélites para caracterizar la vegetación. Los resultados obtenidos en esta tesis indican que el uso de la teledetección con imágenes obtenidas mediante UAV o satélites permite determinar la variabilidad de las parcelas y predecir las características de la vegetación. Además, se ha demostrado que la aplicación variable en base a mapas de prescripción en cultivos especiales como la viña ha permitido mejorar la calidad de las aplicaciones y el uso los productos fitosanitarios

L'ús dels productes fitosanitaris s'ha convertit en una eina essencial de l'agricultura per a aconseguir els requisits mínims de qualitat i quantitat d'aliments exigits pels consumidors. A més, a causa del seu reiterat ús durant tota la campanya, ho converteixen en una de les estratègies més complexes de l'agricultura actual a causa de la preocupació per aconseguir productes lliures de plagues i malalties, lliures de residus i evitant els possibles riscos mediambientals. A partir de la recentment publicada “Estratègia de la Granja a la Taula”, que té com a objectiu la difícil tasca de reduir el 50 % la quantitat de plaguicides perillosos utilitzats abans de l'any 2030, cobra cada vegada major importància la implementació de millores en les tècniques d'aplicació que permetin augmentar l'eficàcia i l'eficiència dels tractaments i, conseqüentment la potencial reducció de la quantitat de plaguicides utilitzats. Aquesta estratègia és especialment important en els anomenats “cultius especials” com són els fruiters o la vinya, on l’ús de productes fitosanitaris és molt elevat, en comparació amb el que succeeix en el cas de cultius herbacis. A més, aquests tipus de cultius es caracteritzen per presentar una gran variabilitat pel que fa a les característiques estructurals de la vegetació al llarg de la parcel·la, cosa que dificulta realitzar una aplicació segura i eficaç dels productes fitosanitaris. En aquest sentit, la tecnologia d'aplicació variable és capaç de reduir l'efecte de la variabilitat intraparcel·lària, ajustant el volum d’aplicació a les característiques de la vegetació a cada punt, aconseguint d’aquesta manera una distribució del producte fitosanitari molt més racional i més ajustada a la vegetació que els realitzats de manera homogènia. Actualment, es coneixen tres tipus de tecnologia d'aplicació variable: 1) basada en l'aplicació en temps real a partir d'informació obtinguda per sensors, 2) fonamentada en mapes de prescripció, i 3) una combinació de les dues anteriors. Encara que els sistemes d'aplicació variable basats en sensors en temps real eliminen la necessitat del coneixement previ del cultiu, aquesta tecnologia no s'ha implementat de manera pràctica en el sector vitícola. Això contrasta amb l'adopció dels mapes de vegetació obtinguts amb sensors remots, que fa més de deu anys que s’utilitzen comercialment per a la gestió de la vinya. Entre les operacions de maneig, en les quals els mapes de vegetació poden tenir un major impacte, està la de l'aplicació de fitosanitaris, que es troba en aquests moments en un nivell d'implementació incipient. Per aquest motiu, l'objectiu principal d'aquesta tesi doctoral, estructurada en tres articles científics, és adequar i incorporar tecnologies d'aplicació variable basada en mapes de prescripció per a la millora de l'eficàcia i l'eficiència dels tractaments en el cultiu de la vinya. El primer article de la tesi es va centrar en el disseny, posada a punt i validació a camp d'un prototip d'aplicació variable sobre la base de mapes de prescripció per al cultiu de la vinya. En aquest article s’inclou tot el procés de polvorització variable en base a mapes, des de la creació del mapa de prescripció fins a l'obtenció del mapa d'aplicació real. Els resultats obtinguts mostren la possibilitat d'estalviar fins a un 47.3 % la quantitat de producte fitosanitari respecte a un tractament convencional, demostrant que és possible adaptar, amb els corresponents canvis, la tecnologia disponible al cas específic del cultiu de la vinya. L’objectiu principal del segon article científic és l'avaluació de la qualitat de la distribució del producte fitosanitari sobre la planta i l'avaluació de l'eficàcia biològica de les aplicacions durant una campanya completa de tractaments. Durant l’estudi es va avaluar el grau d'adopció del sistema d'aplicació variable en una finca comercial i la possibilitat d'instaurar la tecnologia en el seu programa anual de tractaments. Es van realitzar un total de 28 tractaments utilitzant la tecnologia d’aplicació variable basada en mapes, obtenint en tots els tractaments i zones de vigor un recobriment entre el 20 i el 40 %, considerant-se valors adequats per a garantir el control de plagues/malalties en qualsevol procés de polvorització. Pel que fa a l'eficàcia biològica, es van mantenir els mateixos nivells de control que els tractaments convencionals, no trobant-se diferències significatives entre tots dos. Encara que es va demostrar que el sistema d’aplicació variable va permetre l’ajust dels volums d’aplicació en tot moment a les característiques de la vegetació, no ocorrent el mateix en l'aplicació convencional, on en algun moment de la campanya es va haver de doblar el volum d'aplicació per a aconseguir controlar la plaga. La metodologia de treball utilitzada durant el primer i segon article d’aquesta tesi es va fonamentar en la determinació de la variabilitat de la vinya mitjançant imatges aèries obtingudes amb vehicles aeris no tripulats (UAV) i la posterior caracterització de la vegetació de manera manual com a mètode per a la seva validació. La determinació de les característiques estructurals de la vegetació van permetre, en tots dos casos, determinar el volum òptim per a cadascuna de les zones de vigor identificades, a partir de l'ús de l'aplicació Dosaviña®. Tenint en compte que aquesta última part del procés de caracterització de la vegetació i la posterior comprovació manual, pot ser una limitació per a la introducció de la tecnologia en el sector vitícola, es va investigar la possibilitat d'avaluar les característiques de la vegetació de manera automàtica, a partir de l’obtenció i anàlisis de les seves dades espectrals. Per aquest motiu, el tercer article d’aquesta tesi es va centrar a obtenir models de regressió lineal per relacionar la informació obtinguda manualment de la vegetació amb la informació espectral obtinguda per diferents plataformes aèries (UAV i satèl·lit). Per a això, es van caracteritzar manualment 1,400 ceps, determinant en cada cas l'alçada, l'amplada, el Tree Row Volume (TRV) i el Leaf Wall Area (LWA). A més, es va obtenir el valor de NDVI a partir de les dades obtingudes amb les diferents plataformes aèries utilitzades. Les relacions entre la caracterització manual de la vegetació i les dades obtingudes amb el UAV van mostrar coeficients de determinació entre 0.84 i 0.94, mentre que els obtinguts amb el satèl·lit (PlanetScope) van ser pròxims a 0.5. Aquests resultats van indicar que és possible obtenir mapes de prescripció a partir de les dades obtingudes amb el UAV i que existeix una certa tendència positiva que convida a continuar investigant la potencialitat dels satèl·lits per a caracteritzar la vegetació. Els resultats obtinguts en aquesta tesis indiquen que l’ús de la teledetecció amb imatges obtingudes mitjançant UAV o satèl·lits permet determinar la variabilitat de les parcel·les i predir les característiques de la vegetació. A més, s’ha demostrat que l’aplicació variable basada en mapes de prescripció a cultius especials com la vinya ha permès millorar la qualitat de les aplicacions i l’ús de productes fitosanitaris.