Aplicación de sensores multiespectral y térmico a bordo de UASs para la caracterización de la variabilidad del viñedo (cv. Merlot) en Yepes (Toledo)
Authors:   , Atencia Payares Luz Karime 
Published: October 2024

Recent years have witnessed adverse climatic conditions that have subjected viticulturists to increasingly frequent and extreme drought periods. In this context, the evaluation of the water status of the vine has become an essential tool to adapt agronomic practices and improve irrigation management. However, an important aspect of managing irrigation is understanding the spatial and temporal variability of vineyards, particularly in determining the water status of vines under such variability.

Variability is an intrinsic characteristic of the field and can be influenced by factors such as soil characteristics, irrigation, nutrition, pruning, inter-annual climate variability, etc. Platforms such as Unmanned Aerial Systems (UAS) are valuable tools for mapping spatial and temporal variability, facilitating vineyard monitoring with minimal operational costs.

Research aimed at developing crop management models that can dynamically simulate and integrate plant characteristics across different time frames is highly relevant at this time. The general objective of this study was to evaluate the variability of the water status of a commercial Merlot vineyard (Vitis vinifera L.) using thermal and multispectral images from UAS.

Two main factors that significantly influence the variability of the vineyard's water status are soil and irrigation. Regarding the first factor, this study aims to assess the contribution of UAS to zoning. For the second factor, the goal was to evaluate the ability of UAS to detect the water status of the vines.

Soil significantly influences vine vegetative development and yield. Under conditions of low water availability, soil is a determining factor in vine behavior. Therefore, it is necessary to understand the spatial variability of the soil.

The first specific objective of this work was to evaluate the UASs' ability to detect heterogeneity by assessing soil and vegetation information.

Under deficit irrigation, vine growth and yield variability are mainly determined by soil characteristics. A fundamental property is the water holding capacity (WHC). Various vegetation indices (VIs) and vegetative growth and yield parameters were evaluated in vines on two soils with different hydraulic (i.e. WHC) and physicochemical properties. Multispectral and thermal information from the UASs was obtained from these two soils.

Among the findings of this study, it was observed that under normal climatic conditions, the area with higher WHC had greater vegetative growth and yield. However, under conditions of extreme aridity, neither the vegetative indices nor the agronomic and physiological parameters evaluated in the field showed differences between the vines in the two study areas. On the other hand, the spectral and thermal bands of the soil showed significant differences between the two soils in both years. This indicated that the spectral and thermal characteristics of the soil could provide more reliable information for zoning than the vine vegetation itself, as they were less influenced by climatic conditions. Consequently, UASs have proven to be valuable for evaluating spatial and temporal heterogeneity in vineyard monitoring. The spectral and thermal soil information they provide is essential for zoning applications, as it demonstrates consistency over different years, contributing to improving vineyard management practices.

The second specific objective of this work was to evaluate the potential of thermal indices calculated from high-resolution thermal images captured by UASs to assess the water status of the vine.

Based on thermal information from leaves/canopy, recognized as a good indicator of plant water status, we evaluated the robustness of thermal indices based on their ability to estimate Stem Water Potential (SWP) as a reference physiological indicator.

Canopy temperature data (Tc) were obtained from UAS flights at specific times of the day (9:00, 12:00 solar time) of vines under five different irrigation treatments. The Crop Water Stress Index (CWSI) was calculated using three different methodologies: Jackson's methodology (CWSI_J), Wet Reference-based Methodology (CWSI_W), and Bellvert's methodology (CWSI_B). The difference between canopy temperature and air temperature (Tc-Ta) served as the benchmark to overcome as a simple indicator.

SWP, stomatal conductance (gs), and leaf temperature (TL) were acquired at the time of the flights and compared with the thermal indices to calibrate linear models (CWSIs and Tc-Ta).

Among the findings of this study, on the one hand, the effect of the time of day in determining plant water status was observed. All indices showed a better relationship with SWP at 12:00 than at 9:00. On the other hand, it is confirmed that the Tc-Ta index can identify variable crop hydration levels using temperature values (Tc) better than indices such as CWSI_B or CWSI_W at 12:00 h. However, Tc-Ta is less robust under conditions of high evaporative demand. Instead, CWSI_J emerges as a suitable alternative from a climate change perspective in the face of increased heat and aridity, with robust behavior on different days and times of the day. However, several climatic parameters are required to estimate CWSI_J.

The set of results obtained in this thesis highlights the use of high-resolution images captured by UASs to capture spatial and temporal heterogeneity in the field in a timely and efficient manner, regardless of the source of plant variability (soil or climate and/or irrigation).

RESUMEN

Los últimos años han sido testigos de condiciones climáticas adversas que han sometido a los viticultores a periodos de sequía cada vez más frecuentes y extremos. En este contexto, la evaluación del estado hídrico de la vid se ha vuelto una herramienta esencial para adaptar las prácticas agronómicas y mejorar la gestión del riego. Sin embargo, un aspecto importante a la hora de gestionar el riego es conocer la variabilidad espacial y temporal de los viñedos. Especialmente, poder determinar el estado hídrico de las cepas bajo esa variabilidad.

La variabilidad es una característica intrínseca del campo y puede venir influenciada por características del suelo, riego, nutrición, poda, variabilidad climática entre años, etc.

Plataformas como vehículos aéreos no tripulados (Unmanned Aerial System - UAS) se presentan como una herramienta valiosa para mapear la variabilidad espacial y temporal, facilitando la monitorización de los viñedos con un costo operativo mínimo.

La investigación dirigida a desarrollar modelos de manejo de cultivos que pueden simular e integrar dinámicamente características de las plantas en diferentes marcos temporales, es de gran relevancia en estos momentos.

El objetivo general de este estudio fue evaluar la variabilidad del estado hídrico de un viñedo comercial de Merlot (Vitis vinifera L.) mediante imágenes térmicas y multiespectrales utilizando UASs.

Dos factores principales que influyen en gran medida en la variabilidad del estado hídrico del viñedo son el suelo y el riego. Respecto al primer factor, se pretende evaluar la contribución de los UAS a la zonificación, Con el segundo factor, se pretendía evaluar la capacidad de los UAS para detectar el estado hídrico de las cepas.

El suelo influye en gran medida en el desarrollo vegetativo y rendimiento de la vid. Bajo condiciones de baja disponibilidad hídrica, el suelo es un factor determinante en el comportamiento de la vid. Por tanto, es necesario conocer la variabilidad espacial del suelo.

El primer objetivo específico de este trabajo fue evaluar la capacidad de los UASs para detectar la heterogeneidad evaluando información de suelo y vegetación.

Bajo riego deficitario, el crecimiento de la vid y la variabilidad del rendimiento queda determinado principalmente por las características del suelo. Una propiedad fundamental es la capacidad de retención de agua (CRA). Se evaluaron varios índices de vegetación (IVs) y parámetros de crecimiento vegetativo y rendimiento en cepas ubicadas en dos suelos con propiedades hidráulicas (CRA) y fisicoquímicas diferentes. De estos dos suelos se obtuvo información multiespectral y térmica proveniente del UAS.

Entre los hallazgos de este estudio, se observó que en condiciones climáticas normales la zona con mayor CRA tuvo mayor crecimiento vegetativo y rendimiento. Sin embargo, bajo condiciones de aridez extrema, ni los índices vegetativos ni los parámetros agronómicos y fisiológicos evaluados en campo, mostraron diferencias entre las cepas de las dos zonas de estudio. Por otro lado, las bandas espectrales y térmicas del suelo mostraron diferencias significativas entre los dos suelos en ambos años. Esto indicó que las características espectrales y térmicas del suelo podrían proporcionar información más confiable para la zonificación que la vegetación de la vid en sí misma, ya que estaban menos influenciadas por las condiciones climáticas. En consecuencia, los UASs han demostrado ser valiosos para evaluar la heterogeneidad espacial y temporal en el monitoreo de los viñedos. La información espectral y térmica del suelo que proporcionan es esencial para aplicaciones de zonificación, ya que demuestra consistencia a lo largo de diferentes años, lo que contribuye a mejorar las prácticas de gestión del viñedo.

El segundo objetivo específico de este trabajo fue evaluar el potencial de índices térmicos calculados a partir de imágenes térmicas de alta resolución a bordo de UASs para evaluar el estado hídrico de la vid.

Basándonos en la información térmica de hojas/dosel, reconocido como un buen indicador del estado hídrico de las plantas, evaluamos la robustez de índices termicos en base a su capacidad para estimar el potencial hídrico del tronco (PHT como indicador fisiológico de referencia.

Se obtuvieron datos de temperatura del dosel (Tc) a partir de vuelos de UAS en momentos específicos del día (9:00, 12:00 hora solar) de cepas bajo cinco tratamientos de riego diferenciado. Se calculó el Índice de Estrés Hídrico del Cultivo (Crop Water Stress Index - CWSI) bajo tres métodos diferentes: metodología de Jackson (CWSI_J), metodología basada en referencia artificial húmeda (CWSI_W) y metodología de Bellvert (CWSI_B). La diferencia entre la temperatura del dosel y la temperatura del aire (Tc-Ta) fue el punto de referencia a superar como indicador simple.

SWP, conductancia estomática (gs) y la temperatura de la hoja (TL) se adquirieron en el momento de los vuelos y se compararon con los índices térmicos para calibrar modelos lineales (CWSIs y Tc-Ta).

Entre los hallazgos de este estudio encontramos, por un lado, el efecto del momento del día a la hora de determinar el estado hídrico de las plantas. Todos los índices mostraron una mejor relación con el PHT a las 12:00 que a las 9:00. Por otro lado, se confirma que el índice Tc-Ta puede identificar niveles variables de hidratación del cultivo utilizando valores de temperatura (Tc) mejor que índices como CWSI_B o CWSI_W a las 12:00 h. Sin embargo, Tc-Ta es menos robusto bajo condiciones de alta demanda evaporativa. En cambio, CWSI_J se presenta como una alternativa adecuada desde una perspectiva de cambio climático ante el aumento de calor y aridez, con un comportamiento robusto en diferentes días y momentos del día. Sin embargo, se requieren varios parámetros climáticos para estimar el CWSI_J.

El conjunto de los resultados obtenidos en esta tesis pone de manifiesto el uso de imágenes de alta resolución obtenidas de UASs para capturar la heterogeneidad espacial y temporal en campo de manera oportuna y eficiente, independientemente de la fuente de variabilidad de las plantas (suelo o clima y/o riego).