Web-based spatial decision support system for precision agriculture: a support tool for delineating dynamic management unit zones

Precision agriculture (PA) takes advantage of digital technologies to collect and analyze a large amount of data collected in the field or from external sources (e.g. Earth Observation data, Weather data, Open data) for use in site-specific crop management. The main issues in the implementation and dissemination of PA include the harmonization of data from different sources, the interpretation of the huge amount of data collected, the understanding of the causes of variability and the ability to propose robust strategies for the management of inter- and intra-field variability. Different approaches propose Service Oriented Architectures (SOA) to ease integration of heterogeneous and distributed sources for PA; as implemented in other domains (geologic, oceanographic, and ecological), SOA enable web sharing of data and related metadata. Further development of PA requires technological facilities to process data efficiently, and to translate the data to better decisions and actions in a field. While the SOA principle is mainly “find and bind”, in PA also analysis is needed. Web-based decision support systems can provide users with tools that are simple to use while at the same time addresses the factors mentioned above. Management Unit Zones (MUZ) are the sub-division of fields featuring an inter-zonal variation, delineated by agronomists for effective PA operations (till, sow, fertilize, harvest) in the fields. To develop MUZ, normally three factors need to be considered: multi-dimensional data to be used as a basis for creating zones, procedure to be used to process the information, and the optimal number of zones that a field should be divided into. Efficient and easy-to-use tools that address all these factors are needed to provide a technology delivery mechanism, the lack of which has been identified as the major obstacle to the wide adoption of PA. The aim of this study was to create a Web-Based Spatial Decision Support System (WBSD) for delineating Dynamic Management Unit Zones. The WBSD is based, from a technological perspective, on a SOA developed by Free and Open Source Software (FOSS) and international Open Geospatial Consortium (OGC) standards for data sharing. The system is tested on a case study of 500 hectares of durum wheat crops sown in November 2018 and harvested in June 2019 in Italy.

L'agricoltura di precisione (PA) sfrutta le tecnologie digitali per raccogliere e analizzare una grande quantità di dati raccolti sul campo o da fonti esterne (ad esempio, dati di osservazione della terra, dati meteorologici, dati aperti), tali dati vengono utilizzati per la gestione sito-specifica delle colture. Le difficoltà principali nell’utilizzo e diffusione della PA includono l'armonizzazione dei dati provenienti da fonti diverse, l'interpretazione dell'enorme quantità di dati raccolti, la comprensione delle cause della variabilità e la capacità di proporre strategie robuste per la gestione della variabilità inter e intra-campo. Diversi approcci tecnologici propongono Architetture a Servizi (SOA) per facilitare l'integrazione di fonti eterogenee e distribuite per la PA; come implementato in altri domini (geologico, oceanografico, ecologico), le SOA consentono la condivisione nel web dei dati e dei relativi metadati. Ulteriori sviluppi dalla PA richiedono infrastrutture tecnologiche per elaborare i dati in modo efficiente e per convertire i dati in decisioni ed azioni sui campi. Mentre il principio SOA è principalmente "trova e lega", in PA è necessaria anche l'analisi. I sistemi di supporto decisionale basati sul web possono fornire agli utenti strumenti semplici da usare e allo stesso tempo affrontare i fattori sopra menzionati. Le Zone Gestionali Omogenee (MUZ) sono suddivisioni dei campi, con una variazione inter-zonale, tracciate dagli agronomi per effettuare le operazioni agronomiche di PA (coltivazione, semina, concimazione, raccolta) nei campi. Per sviluppare le MUZ, normalmente occorre considerare tre fattori: i dati multidimensionali da utilizzare come base per la creazione delle zone, la procedura da utilizzare per elaborare le informazioni e il numero ottimale di zone in cui un campo deve essere suddiviso. Strumenti efficienti e facili da usare che affrontino tutti questi fattori sono necessari per fornire un meccanismo di abilitazione tecnologica, la cui mancanza è stata identificata come il principale ostacolo all’adozione su larga scala della PA. Scopo di questo studio è stato quello di sviluppare un Sistema di Supporto alle Decisioni Spaziali basato sul Web (WBSD) per delineare le zone di unità di gestione dinamica. Il WBSD si basa, da un punto di vista tecnologico, su un SOA sviluppato attraverso l’utilizzo di Software Gratuito e con Codice Sorgente Aperto (FOSS) e l’adozione di standard internazionali dell'Open Geospatial Consortium (OGC) per la condivisione dei dati. Il sistema è testato su un caso di studio di 500 ettari di colture di grano duro seminate a novembre 2018 e raccolte a giugno 2019 in Italia.