Scheda programma d'esame
SENSORI E MODELLI PER IL MONITORAGGIO AGRO-IDROLOGICO
GIOVANNI RALLO
Anno accademico2021/22
CdSSCIENZE AGRARIE
Codice454GG
CFU2
PeriodoSecondo semestre

ModuliSettoreTipoOreDocente/i
SENSORI E MODELLI PER IL MONITORAGGIO AGRO-IDROLOGICOAGR/08LABORATORI20
GIOVANNI RALLO unimap
Obiettivi di apprendimento
Learning outcomes
Conoscenze

Al completamento di questo modulo gli studenti dovrebbero essere in grado di:

  • dimostrare una comprensione dei principi fisici alla base del funzionamento dei modelli, sensori e sistemi combinati necessari per il monitoraggio dei processi di trasporto di massa e di energia all'interno del sistema continuo suolo-pianta-atmosfera (SPAC).
  • comprendere e analizzare quantitativamente i termini dell’Efficienza idrica/energetica alla scala di SPAC e aziendale.
  • dimostrare una comprensione dei limiti di funzionamento, dell’effetto della scala di osservazione dei processi agro-idrologici oggetto del monitoraggio, nonché sull’importanza delle procedure di zonazione, calibrazione e validazione degli strumenti studiati
  • proporre e valutare una serie di soluzioni di monitoraggio e gestione della risorsa idrica applicate alla scala aziendale.
Knowledge

Upon completion of this module, students should be able to:

  • demonstrate an understanding of the physical principles underlying the models, sensors, and combined systems required to monitor mass and energy transport processes within the continuum soil-plant-atmosphere (SPAC) system.
  • understand and quantitatively analyze Water/Energy Efficiency terms at the SPAC and farm scale.
  • demonstrate an understanding of the limits of operation, the effect of the spatial and temporal scale on the agro-hydrological processes under monitoring, as well as the importance of the zoning, calibration and validation procedures of the instruments under studying.
  • propose and evaluate a set of monitoring and management solutions of the water resource applied to the farm scale.
Modalità di verifica delle conoscenze
  • Per l'accertamento delle conoscenze saranno svolte delle verifiche scritte sui principali argomenti trattati.
Assessment criteria of knowledge
  • Ongoing written tests will be carried out to assess the knowledge acquired by the students.
Capacità
  • Capacità di calcolo analitico nella stesura di bilanci agro-idrologici per la quantificazione dei consumi idrici della coltura e la gestione degli adacquamenti alla scala aziendale.
  • Ricerca e analisi di dati meteorologici, climatologici, colturali e pedologici contenuti nei database nazionali e internazionali.
  • Ricerca e analisi immagini spettrali acquisite da remoto (UAV, satellite).
  • Senso critico nella scelta dei sensori e dei modelli agroidrologici e consapevolezza sull’importanza che rivestono i protocolli di istallazione e calibrazione.
Skills
  • Analytical computing capabilities in agro-hydrological water balances application to predict crop water requirements and irrigation timing.
  • Research and analyze of the meteorological, climatological, crop, and pedological data sources available from the national and international databases.
  • Research and analyse remotely acquired spectral images (UAV, satellite).
  • The critical point of view in the choice of agrohydrological sensors and models. The Student will be aware of the importance of the installation and calibration protocols.
Modalità di verifica delle capacità
  • Durante le esercitazioni in aula sarà richiesto l’uso del computer e svolta attività di progettazione e verifica di sistemi di supporto alle decisioni (SSD sensor-based and model-based) attraverso l’implementazione di fogli di calcolo Excel e specifici software open source.
  • Saranno svolte attività pratiche per la ricerca, in noti database, di dati agro-ambientali e immagini spettrali acquisite da satellite.
Assessment criteria of skills
  • During the classroom exercises will be required the use of computers and carried out activities of design and testing of decision support systems (SSD sensor-based and model-based) through the implementation of Excel spreadsheets and specific open-source software.
  • Practical activities will be carried out to search, in known databases, agro-environmental data and spectral images acquired by satellite.
Comportamenti
  • Sensibilità alle problematiche ambientali e all’uso sostenibile delle risorse idriche ed energetiche in agricoltura.
  • Accuratezza e precisione nello svolgere attività di raccolta e analisi di dati e di immagini multispettrali.
  • Senso critico sull’attendibilità del dato e la risoluzione spaziale e spettrale delle immagini acquisite da remoto.
  • Abilità nello scegliere e calibrare la sensoristica e la modellistica agroidrologica da utilizzare per una gestione esperta ed efficiente dell’irrigazione.
Behaviors
  • Sensitivity to environmental issues and sustainable use of water and energy resources in agriculture.
  • Accuracy and precision in performing data collection and analysis activities and multispectral imagery.
  • Critical sense of data reliability and spatial and spectral resolution of remotely acquired images.
  • Skills in selecting and calibrating sensor and model to be used for expert and efficient irrigation management.
Modalità di verifica dei comportamenti
  • Durante le esercitazioni saranno valutati il grado di accuratezza e precisione delle attività svolte dallo studente.
  • In seguito alle attività seminariali e le esercitazioni saranno richiesti agli studenti delle brevi relazioni concernenti gli argomenti trattati.
Assessment criteria of behaviors
  • During the ongoing test, the degree of accuracy and precision of the student's activities will be evaluated.
  • Following the seminar/webinar activities and field exercises, students have to provide a short report about the studied topics.
Prerequisiti (conoscenze iniziali)

Per seguire il corso in modo proficuo, lo studente dovrebbe possedere abilità/capacità in merito alla statistica e analisi dei dati, meccanica dei fluidi, fondamenti di elettronica, pedologia ed ecofisiologia vegetale.

Prerequisites

Students should have initial knowledge concerning statistic and data analysis, fluid mechanics, fundamentals of electronics, pedology, and crop ecophysiology.

 

Indicazioni metodologiche
  • Lo svolgimento delle lezioni avviene attraverso la somministrazione di lezioni on-line e con ausilio di slide/filmati che saranno disponibili sulla piattaforma Teams di Microsoft.
  • Le esercitazioni necessitano l’utilizzo di computer personali con installati i software per le analisi dati (Excel, Number, LibreOffice Calc) e delle immagini (QGIS e LeoWorks).
  • A supporto delle lezioni/esercitazioni si utilizzano risorse web, seminari e strumentazione a scopo didattico.
  • Dalla piattaforma Teams del corso lo studente può eseguire lo scaricamento dei materiali didattici e divulgativi e comunicare con il docente. Allo stesso tempo, il docente pubblica i test per esercitazioni a casa e coordina/segue gli studenti.
  • Il docente è disponibile per ricevimento e usa la chat Teams come strumento principale di comunicazione docente-studente.
  • Alcuni argomenti richiedono l’ausilio di terminologia internazionale in lingua anglosassone e/o statunitense.
Teaching methods
  • The lessons are conducted through on-line lessons and with the help of slides/movies that will be available on the Microsoft Teams platform.
  • The exercises require the use of personal computers with installed software for data analysis (Excel, Number, LibreOffice Calc) and images (QGIS and LeoWorks).
  • Web resources, seminars, and instrumentation are used to support the lectures/exercises.
  • From the Teams platform of the course, the student can download the teaching and learning materials and communicate with the lecturer. At the same time, the lecturer posts tests for homework exercises and coordinates/coordinates students.
  • The lecturer is available for meeting and uses the Teams chat as the main tool for lecturer-student communication.
  • Some topics require the use of international terminology in Anglo-Saxon and/or US languages.
Programma (contenuti dell'insegnamento)

Introduzione al laboratorio. Obiettivi e articolazione del laboratorio.

Idrologia del sistema continuo suolo pianta-atmosfera. Stato massico ed energetico dell’acqua. Idrostatica e idrodinamica dell’acqua nel suolo e nella pianta. Rapporti acqua-terreno-pianta. Analisi quantitativa degli scambi idrici con l’atmosfera. Spettroscopia da campo. Cenni di micrometeorologia.

Sistemi di supporto alle decisioni. Tecnologie basate sul meteo, sul suolo, sulla pianta e modelli di bilancio idrico integrati suolo-pianta-atmosfera. Uso combinato modelli-sensori. Automazione degli attuatori idraulici. Cenni sulle reti di sensori senza fili (WSN). Protocolli di gestione esperta dell’irrigazione a controllo retroattivo e/o basata sulle previsioni.

Scala spaziale di indagine. Metodi di acquisizione e analisi dei dati ambientali e delle immagini spettrali acquisiti da remoto. Zonazione con analisi geostatistica dei dati misurati a terra e/o delle immagini spettrali acquisite da remoto. Topologia della rete di sensori senza fili (WSN).

Metrologia. Accuratezza del dato misurato e/o stimato. Protocolli di calibrazione dei sensori. Calibrazione e validazione dei modelli agroidrologici.

Applicazione pratica di modelli agro-idrologici. Stima dei consumi idrici di un sistema colturale intensivo. ed implementazione di un protocollo di gestione esperta della risorsa idrica aziendale.

Applicazione pratica di sensori agro-idrologici. Progettazione di una rete di sensori di umidità del suolo ed implementazione di un protocollo di gestione esperta della risorsa idrica aziendale.

Syllabus

Introduction to the laboratory. Objectives and articulation of the laboratory.

Hydrology of the continuum soil-plant-atmosphere system. Mass and energy state of water. Hydrostatics and hydrodynamics of water in soil and plant. Water-soil-plant relationships. Quantitative analysis of water exchanged with the atmosphere. Field spectroscopy. Micrometeorology.

Decision support systems. Weather-based, soil-based, plant-based technologies and integrated soil-plant-atmosphere water balance models. Combined use of models and sensors. Automation of hydraulic actuators. Wireless sensor networks (WSNs). Expert management protocols: feedback and/or feedforward control.

Spatial scale of investigation. Methods of acquiring and analyzing remotely acquired environmental data and spectral images. Zoning procedure using geostatistical analysis of proxy data and/or remote sensing image analysis. Wireless sensor network (WSN) topology.

Metrology. Accuracy of the measured and/or estimated data. Sensor calibration protocols. Calibration and testing of agrohydrological models.

Hands-On Simulation agro-hydrological models. Estimation of water consumption of a specialized farming system. Implementation of a feedforward control protocol to optimize the farm water use.

Hands-On agro-hydrological sensors. Design of a soil moisture WSN and implementation of a feedback control protocol to optimize the farm water use.

Bibliografia e materiale didattico
  • Dispensa Idrologia del sistema continuo suolo-pianta atmosfera redatta dal docente.
  • Allen Richard G., Luis S. Pereira, Dirk Raes, Martin Smith. 1996. Crop evapotranspiration - Guidelines for computing crop water requirements - FAO Irrigation and drainage paper 56. FAO, Roma. ISBN 92-5-104219-5.
  • Luigi Cavazza. 2006. Terreno agrario. Il comportamento fisico. Editore: REDA.
  • Lamm Freddie R., James E. Ayars, Francis S. Nakayama. 2006. Microirrigation for Crop Production Design, Operation, and Management. ELSEVIER. ISBN: 978-0-444-50607-8.
  • J. David Cooper. Soil Water Measurement: A Practical Handbook. 2016. Wiley-Blackwell. ISBN: 978-1-119-10602-9.
  • Tarik Mitran, Ram Swaroop Meena, Abhishek Chakraborty. 2020. Geospatial Technologies for Crops and Soils. Springer-Verlag New York. DOI:0.1007/978-981-15-6864-0.

per approfondimenti:

  • Task Committee on Revision of Manual 70. Edited by Marvin E. Jensen and Richard G. Allen. 2016. Evaporation, Evapotranspiration, and Irrigation Water Requirements. DOI: 10.1061/9780784414057.
  • ─ćulibrk, D., Vukobratovic, D., Minic, V., Alonso Fernandez, M., Alvarez Osuna, J., Crnojevic, V. 2014. Sensing Technologies For Precision Irrigation. Springer-Verlag New York. DOI: 10.1007/978-1-4614-8329-8.
  • Wenceslau Geraldes Teixeira, Marcos Bacis Ceddia, Marta Vasconcelos Ottoni, Guilheme Kangussu Donnagema. Application of Soil Physics in Environmental Analyses Measuring, Modelling and Data Integration. Springer-Verlag New York. DOI: 10.1007/978-3-319-06013-2.
Bibliography
  • Lecture notes provided by professor.
  • Allen Richard G., Luis S. Pereira, Dirk Raes, Martin Smith. 1996. Crop evapotranspiration - Guidelines for computing crop water requirements - FAO Irrigation and drainage paper 56. FAO, Roma. ISBN 92-5-104219-5.
  • Luigi Cavazza. 2006. Terreno agrario. Il comportamento fisico. Editore: REDA.
  • Lamm Freddie R., James E. Ayars, Francis S. Nakayama. 2006. Microirrigation for Crop Production Design, Operation, and Management. ELSEVIER. ISBN: 978-0-444-50607-8.
  • J. David Cooper. Soil Water Measurement: A Practical Handbook. 2016. Wiley-Blackwell. ISBN: 978-1-119-10602-9.
  • Tarik Mitran, Ram Swaroop Meena, Abhishek Chakraborty. 2020. Geospatial Technologies for Crops and Soils. Springer-Verlag New York. DOI:0.1007/978-981-15-6864-0.

to deepen

  • Task Committee on Revision of Manual 70. Edited by Marvin E. Jensen and Richard G. Allen. 2016. Evaporation, Evapotranspiration, and Irrigation Water Requirements. DOI: 10.1061/9780784414057.
  • ─ćulibrk, D., Vukobratovic, D., Minic, V., Alonso Fernandez, M., Alvarez Osuna, J., Crnojevic, V. 2014. Sensing Technologies For Precision Irrigation. Springer-Verlag New York. DOI: 10.1007/978-1-4614-8329-8.
  • Wenceslau Geraldes Teixeira, Marcos Bacis Ceddia, Marta Vasconcelos Ottoni, Guilheme Kangussu Donnagema. 2014. Application of Soil Physics in Environmental Analyses Measuring, Modelling and Data Integration. Springer-Verlag New York. DOI: 10.1007/978-3-319-06013-2.
Indicazioni per non frequentanti

Gli studenti non frequentanti possono seguire lo svolgimento dell’insegnamento utilizzando il materiale didattico multimediale messo a disposizione dal docente sulla piattaforma Teams del CdS e seguendo il registro delle lezioni del docente. 

Non-attending students info

Not-attending students can follow the lessons using the teaching material provided Teams by the lecturer before the beginning of the lectures and consulting the lesson log.

Modalità d'esame

L'esame finale include una prova scritta seguita da un orale. La prova scritta si focalizzerà sulle procedure di zonazione, calibrazione e validazione dei sensori/modelli studiati durante il laboratorio. La prova orale è superata quando il candidato è in grado di esprimersi in modo chiaro e di usare la terminologia corretta, dimostrare di avere compreso la funzionalità della più moderne tecnologie per il monitoraggio dei processi di scambio idrico all’interno del sistema continuo suolo-pianta-atmosfera e la gestione esperta dell’irrigazione.

Assessment methods

The assessment method includes a written test followed by an oral exam. The written test will focus on zoning, calibration, and validation procedures for the sensors/models studied during the lab activities. The examination includes an oral test. The oral test is passed when the candidate is able to express himself clearly and to use the correct terminology, demonstrate an understanding of the functionality of the most modern technology for monitoring water exchange processes within the continuum soil-plant-atmosphere system.

Altri riferimenti web

Laboratorio di sensoristica e modellistica agroidrologica (AgrHySMo Lab.)

  • agrhysmo.agr.unipi.it

UNIPIMAP

  • http://unimap.unipi.it/cercapersone/dettaglio.php?ri=109586

Scientific database ID

  • SCOPUS: 35722806100
  • ORCID: orcid.org/0000-0002-8405-8618
  • PUBLONS: publons.com/a/587042/
Additional web pages

AgroHydrological Sensing and Modeling Laboratory (AgrHySMo Lab.)

  • agrhysmo.agr.unipi.it

UNIPIMAP

  • http://unimap.unipi.it/cercapersone/dettaglio.php?ri=109586

Scientific database ID

  • SCOPUS: 35722806100
  • ORCID: orcid.org/0000-0002-8405-8618
  • PUBLONS: publons.com/a/587042/
Ultimo aggiornamento 20/07/2021 11:05