PANTHEON Precision Farming of Hazelnut Orchards - Project ID: 774571
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PANTHEON
Precision Farming of Hazelnut Orchards
Project ID: 774571
May 13°, 2018 Workshop on Small UAVs for Precision Agriculture, Monte Roberto, Italy – Andrea Gasparri 1
Modern Hazelnut Farming (MHF)
• Well-structured orchards with a
regular planting pattern
• Regular layout allows the
mechanization of many field
operations
• Typical Operations in MHF:
• Irrigation
• Pruning 1.7 NORM
• Pest and Disease Control
Le dimensioni del logo possono variare rispettando l'esatto rapporto di propo
elementi che lo compongono. Per consentire sempre una chiara leggibilità, i
essere riprodotto in dimensioni inferiori a 2,39 x 1,21 cm.
Il logo inferiore alla misura minima deve essere sostituito con una semplice s
maiuscolo e rispettando il carattere istituzionale (Times New Roman Regula
• Production Estimation
questo caso deve essere rispettata l'area di rispetto e la riproduzione in posi
per sfondi colorati.
Hazelnut Harvesting Process ROMA
(Source: FERRERO) TRE
UNIVERSITÀ DEGLI STUDI
May 13°, 2018 Workshop on Small UAVs for Precision Agriculture, Monte Roberto, Italy – Andrea Gasparri 2
ROMA
MHF – Observations
• In current best practice decisions are made by
1. Dividing the large-scale orchards in sectors
2. Observing few representative plants per sector
3. Performing homogeneous treatments per sector
• This may result in
1. Product waste (economic loss) 1.7 NORM
2. Avoidable pollution (environmental damage)
Le dimensioni del logo possono variare rispettando l'esatto rapporto di propo
elementi che lo compongono. Per consentire sempre una chiara leggibilità, i
essere riprodotto in dimensioni inferiori a 2,39 x 1,21 cm.
Il logo inferiore alla misura minima deve essere sostituito con una semplice s
maiuscolo e rispettando il carattere istituzionale (Times New Roman Regula
questo caso deve essere rispettata l'area di rispetto e la riproduzione in posi
per sfondi colorati.
Hazelnut Block in AgriChile ROMA
(Source: FERRERO) TRE
UNIVERSITÀ DEGLI STUDI
May 13°, 2018 Workshop on Small UAVs for Precision Agriculture, Monte Roberto, Italy – Andrea Gasparri 3
ROMA
PANTHEON Ambition
• To Introduce a new paradigm for
the management of large-scale
hazelnut orchards
• To achieve the resolution of a
single plant in terms of
1. collecting information 1.7 NORM
Le dimensioni del logo possono variare rispettando l'esatto rapporto di propo
2. performing (some) farming
elementi che lo compongono. Per consentire sempre una chiara leggibilità, i
essere riprodotto in dimensioni inferiori a 2,39 x 1,21 cm.
Il logo inferiore alla misura minima deve essere sostituito con una semplice s
maiuscolo e rispettando il carattere istituzionale (Times New Roman Regula
operations
questo caso deve essere rispettata l'area di rispetto e la riproduzione in posi
per sfondi colorati.
Large Hazelnut Orchard with a 5 x 3 planting pattern
(Source: FERRERO) ROMA
TRE
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May 13°, 2018 Workshop on Small UAVs for Precision Agriculture, Monte Roberto, Italy – Andrea Gasparri 4
ROMA
Impact
Continuous monitoring will enable a prompt detection of per-plant limiting
factors and trigger focused (automatic) interventions.
1. Increase of Production by improving the
general phytosanitary state of the orchard
2. Environmental-Friendly Management by
1. Reducing waste of water
2. Decreasing the need of chemical inputs
3. Reduction of Human Burden by the 1.7 NORM
Le dimensioni del logo possono variare rispettando l'esatto rapporto di propo
automatization on large scale of tedious
elementi che lo compongono. Per consentire sempre una chiara leggibilità, i
essere riprodotto in dimensioni inferiori a 2,39 x 1,21 cm.
Il logo inferiore alla misura minima deve essere sostituito con una semplice s
and repetitive operations
maiuscolo e rispettando il carattere istituzionale (Times New Roman Regula
questo caso deve essere rispettata l'area di rispetto e la riproduzione in posi
per sfondi colorati.
ROMA
3D Hazelnut Wild Trees Reconstruction
(Source: TRIER)
TRE
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May 13°, 2018 Workshop on Small UAVs for Precision Agriculture, Monte Roberto, Italy – Andrea Gasparri 5
ROMA
Approach: An Agricultural SCADA
• Unmanned aerial and ground robots
move within an orchard to
• collect data
• perform farming operations
• An IoT-based agro-meteorological
network for environmental monitoring
• A central operative unit integrates the
collected data to
• perform automatic feedback
actions (e.g. regulate the irrigation 1.7 NORM
system) Le dimensioni del logo possono variare rispettando l'esatto rapporto di propo
elementi che lo compongono. Per consentire sempre una chiara leggibilità, i
essere riprodotto in dimensioni inferiori a 2,39 x 1,21 cm.
• support the decisions of the
Il logo inferiore alla misura minima deve essere sostituito con una semplice s
maiuscolo e rispettando il carattere istituzionale (Times New Roman Regula
questo caso deve essere rispettata l'area di rispetto e la riproduzione in posi
agronomists
per sfondi colorati.
Agricultural SCADA Concept
ROMA
(Source: ULB)
TRE
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May 13°, 2018 Workshop on Small UAVs for Precision Agriculture, Monte Roberto, Italy – Andrea Gasparri 6
ROMA
PANTHEON – A pragmatic approach
• Objectives identified in collaboration
with agronomists of FERRERO
• We focus (only) on:
1. Phytosanitary status estimation
2. Automatic irrigation regulation
3. Automatic suckers’ treatment 1.7 NORM
4. Improvement of pruning practices 05/07 02/08 30/08 06/09
Le dimensioni del logo possono variare rispettando l'esatto rapporto di propo
elementi che lo compongono. Per consentire sempre una chiara leggibilità, i
essere riprodotto in dimensioni inferiori a 2,39 x 1,21 cm.
Il logo inferiore alla misura minima deve essere sostituito con una semplice s
5. Automatic estimation of the production
maiuscolo e rispettando il carattere istituzionale (Times New Roman Regula
questo caso deve essere rispettata l'area di rispetto e la riproduzione in posi
Hazelnuts at different ripe stageper sfondi colorati.
(Source: UNITUS) ROMA
TRE
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May 13°, 2018 Workshop on Small UAVs for Precision Agriculture, Monte Roberto, Italy – Andrea Gasparri 7
ROMA
UAV Main Activities
• Data Collection for Agronomical
Indicators:
1. Water Stress
2. Pest and Disease Detection
3. Fruit Detection
• Typical approaches are based on
Orthomosaic Techniques 1.7 NORM
Le dimensioni del logo possono variare rispettando l'esatto rapporto di propo
elementi che lo compongono. Per consentire sempre una chiara leggibilità, i
essere riprodotto in dimensioni inferiori a 2,39 x 1,21 cm.
Il logo inferiore alla misura minima deve essere sostituito con una semplice s
maiuscolo e rispettando il carattere istituzionale (Times New Roman Regula
questo caso deve essere rispettata l'area di rispetto e la riproduzione in posi
per sfondi colorati.
ROMA
TRE
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March 13°, 2018 Workshop on Small UAVs for Precision Agriculture, Monte Roberto, Italy – Andrea Gasparri 8
ROMA
Orthomosaic Techniques
Measuring process:
• Cover the area of interest using a
lawnmower pattern
• Ensure overlap between pictures
and in between bands
Validation process:
1. Pictures correction
2. Band creation through matching 1.7 NORM
Le dimensioni del logo possono variare rispettando l'esatto rapporto di propo
3. Bands alignment and orthomosaic
elementi che lo compongono. Per consentire sempre una chiara leggibilità, i
essere riprodotto in dimensioni inferiori a 2,39 x 1,21 cm.
Il logo inferiore alla misura minima deve essere sostituito con una semplice s
maiuscolo e rispettando il carattere istituzionale (Times New Roman Regula
questo caso deve essere rispettata l'area di rispetto e la riproduzione in posi
per sfondi colorati.
ROMA
TRE
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May 13°, 2018 Workshop on Small UAVs for Precision Agriculture, Monte Roberto, Italy – Andrea Gasparri 9
ROMA
Orthomosaic Techniques 100 m
Orthomosaic characteristics:
• Overlap>80%
50 m
• Higher altitude worst resolution
• Does not exploit localization accuracy
• The coverage time highly depends on the
amount of turns (bands)
1.7 NORM
Le dimensioni del logo possono variare rispettando l'esatto rapporto di propo
elementi che lo compongono. Per consentire sempre una chiara leggibilità, i
essere riprodotto in dimensioni inferiori a 2,39 x 1,21 cm.
Il logo inferiore alla misura minima deve essere sostituito con una semplice s
maiuscolo e rispettando il carattere istituzionale (Times New Roman Regula
Resolution: 5cm
questo caso deve essere rispettata l'area di rispetto e la riproduzione in posi
Resolution: 2.5cm per sfondi colorati.
ROMA
TRE
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May 13°, 2018 Workshop on Small UAVs for Precision Agriculture, Monte Roberto, Italy – Andrea Gasparri 10
ROMAUAV Aircraft Model
DJI Matrice 600 Pro
• Design: Six-rotor flying platform
• Applications: Professional aerial photography
and industrial applications
• Main Features:
• RTK Localization Accuracy (~cm) 1.7 NORM
• Triple IMU Accuracy for Flight Control
Le dimensioni del logo possono variare rispettando l'esatto rapporto di propo
elementi che lo compongono. Per consentire sempre una chiara leggibilità, i
essere riprodotto in dimensioni inferiori a 2,39 x 1,21 cm.
Il logo inferiore alla misura minima deve essere sostituito con una semplice s
maiuscolo e rispettando il carattere istituzionale (Times New Roman Regula
questo caso deve essere rispettata l'area di rispetto e la riproduzione in posi
per sfondi colorati.
ROMA
TRE
UNIVERSITÀ DEGLI STUDI
March 13°, 2018 Workshop on Small UAVs for Precision Agriculture, Monte Roberto, Italy – Andrea Gasparri 11
ROMAUAV: Architecture
Radio
Communication On-board computer
Ground computer
(Trajectory Planning, (Trajectory Execution, Sensor Triggering,
Ros Enabled) Data Collection)
Multispectral Thermal
RGB camera
camera camera 1.7 NORM
Le dimensioni del logo possono variare rispettando l'esatto rapporto di propo
elementi che lo compongono. Per consentire sempre una chiara leggibilità, i
essere riprodotto in dimensioni inferiori a 2,39 x 1,21 cm.
Il logo inferiore alla misura minima deve essere sostituito con una semplice s
maiuscolo e rispettando il carattere istituzionale (Times New Roman Regula
questo caso deve essere rispettata l'area di rispetto e la riproduzione in posi
per sfondi colorati.
ROMA
TRE
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May 13°, 2018 Workshop on Small UAVs for Precision Agriculture, Monte Roberto, Italy – Andrea Gasparri 12
ROMAMultispectral camera
• Model:Tetracam MCAW 6
• Features: Multi-spectral information on a pixel-by-pixel
basis
• Application: Compute vegetation spectral features to
measure the photosynthesis activity of leaves such as
production capability
1.7 NORM
Le dimensioni del logo possono variare rispettando l'esatto rapporto di propo
elementi che lo compongono. Per consentire sempre una chiara leggibilità, i
essere riprodotto in dimensioni inferiori a 2,39 x 1,21 cm.
Il logo inferiore alla misura minima deve essere sostituito con una semplice s
maiuscolo e rispettando il carattere istituzionale (Times New Roman Regula
questo caso deve essere rispettata l'area di rispetto e la riproduzione in posi
per sfondi colorati.
ROMA
TRE
UNIVERSITÀ DEGLI STUDI
March 13°, 2018 Workshop on Small UAVs for Precision Agriculture, Monte Roberto, Italy – Andrea Gasparri 13
ROMAThermal camera
• Model: Teax ThermalCapture 2.0 640
• Features: Fully radiometric per pixel temperature data
• Application: Measurement of the leaf temperature to
detect possible water stress.
1.7 NORM
Le dimensioni del logo possono variare rispettando l'esatto rapporto di propo
elementi che lo compongono. Per consentire sempre una chiara leggibilità, i
essere riprodotto in dimensioni inferiori a 2,39 x 1,21 cm.
Il logo inferiore alla misura minima deve essere sostituito con una semplice s
maiuscolo e rispettando il carattere istituzionale (Times New Roman Regula
questo caso deve essere rispettata l'area di rispetto e la riproduzione in posi
per sfondi colorati.
ROMA
TRE
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March 13°, 2018 Workshop on Small UAVs for Precision Agriculture, Monte Roberto, Italy – Andrea Gasparri 14
ROMARGB camera
• Model: Sony α5100
• Features: 24.3 megapixel APS-C CMOS sensor
• Application: Detect the main features of areas of
interest such as tree precise location and macro-
management.
1.7 NORM
Le dimensioni del logo possono variare rispettando l'esatto rapporto di propo
elementi che lo compongono. Per consentire sempre una chiara leggibilità, i
essere riprodotto in dimensioni inferiori a 2,39 x 1,21 cm.
Il logo inferiore alla misura minima deve essere sostituito con una semplice s
maiuscolo e rispettando il carattere istituzionale (Times New Roman Regula
questo caso deve essere rispettata l'area di rispetto e la riproduzione in posi
per sfondi colorati.
ROMA
TRE
UNIVERSITÀ DEGLI STUDI
March 13°, 2018 Workshop on Small UAVs for Precision Agriculture, Monte Roberto, Italy – Andrea Gasparri 15
ROMABulding an Orthomosaic In Our Setting
62 m
Setting Constraints:
Thermal
• High resolution required (~2.5cm/pixel) camera
54 m
• Different FOVs (Field of view) 78 m
• Low resolution thermal camera
Multispectral 48 m
camera
Outcome:
70 m
• 3 different orthomosaics 1.7 NORM
RGB
Le dimensioni del logo possono variare rispettando l'esatto rapporto di propo
elementi che lo compongono. Per consentire sempre una chiara leggibilità, i
essere riprodotto in dimensioni inferiori a 2,39 x 1,21 cm.
44 m
camera
Il logo inferiore alla misura minima deve essere sostituito con una semplice s
maiuscolo e rispettando il carattere istituzionale (Times New Roman Regula
questo caso deve essere rispettata l'area di rispetto e la riproduzione in posi
per sfondi colorati.
ROMA
TRE
UNIVERSITÀ DEGLI STUDI
May 13°, 2018 Workshop on Small UAVs for Precision Agriculture, Monte Roberto, Italy – Andrea Gasparri 16
ROMABuilding an Orthomosaic In Our Setting
A classical approach implies altitude of less than 50 m
to reach the demanded constraints:
To map 10 hectares:
• >2500 pictures = High amount of data
• Unnecessary resolution and pictures for RGB camera
• Excessive time (>1.5 hours)
• Several flights required ( >6 flights)
1.7 NORM
Le dimensioni del logo possono variare rispettando l'esatto rapporto di propo
elementi che lo compongono. Per consentire sempre una chiara leggibilità, i
essere riprodotto in dimensioni inferiori a 2,39 x 1,21 cm.
Il logo inferiore alla misura minima deve essere sostituito con una semplice s
maiuscolo e rispettando il carattere istituzionale (Times New Roman Regula
questo caso deve essere rispettata l'area di rispetto e la riproduzione in posi
per sfondi colorati.
Necessity of new techniques ROMA
TRE
UNIVERSITÀ DEGLI STUDI
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ROMAA change of Perspective
Observations:
• UAV High Localization Accuracy
• Regular disposition of the trees
• Presence of non-interesting areas
Objective:
• Reduce Coverage Time 1.7 NORM
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elementi che lo compongono. Per consentire sempre una chiara leggibilità, i
essere riprodotto in dimensioni inferiori a 2,39 x 1,21 cm.
Hazelnut plantation
• Reduce Amount Data
Il logo inferiore alla misura minima deve essere sostituito con una semplice s
maiuscolo e rispettando il carattere istituzionale (Times New Roman Regula
questo caso deve essere rispettata l'area di rispetto e la riproduzione in posi
Regular pattern (Source: UNITUS) per sfondi colorati.
ROMA
TRE
UNIVERSITÀ DEGLI STUDI
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ROMAResearch Challenges
UAV High Localization Accuracy
Idea: Reduce the picture overlap.
Advantages:
• Reduced coverage time by
minimizing the number of bands; 1.7 NORM
Le dimensioni del logo possono variare rispettando l'esatto rapporto di propo
• Reduced amount of data by avoid
elementi che lo compongono. Per consentire sempre una chiara leggibilità, i
essere riprodotto in dimensioni inferiori a 2,39 x 1,21 cm.
Il logo inferiore alla misura minima deve essere sostituito con una semplice s
maiuscolo e rispettando il carattere istituzionale (Times New Roman Regula
oversampling (up to 16 times with
questo caso deve essere rispettata l'area di rispetto e la riproduzione in posi
per sfondi colorati.
80% 60%
80% overlap, 4 bands) ROMA
TRE
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ROMAResearch Challenges
Idea: Adaptive measurement strategies
focused only on points of interests (trees).
• Varying accuracy w.r.t. areas of interest;
• No necessity of matching bands.
Non-interesting area
Non-interesting area
Advantages:
• Reduced coverage time by avoiding
non-essential bands; 1.7 NORM
Le dimensioni del logo possono variare rispettando l'esatto rapporto di propo
• Reduced amount of data by only
elementi che lo compongono. Per consentire sempre una chiara leggibilità, i
essere riprodotto in dimensioni inferiori a 2,39 x 1,21 cm.
Il logo inferiore alla misura minima deve essere sostituito con una semplice s
maiuscolo e rispettando il carattere istituzionale (Times New Roman Regula
covering the necessary areas.
questo caso deve essere rispettata l'area di rispetto e la riproduzione in posi
per sfondi colorati.
ROMA
TRE
UNIVERSITÀ DEGLI STUDI
May 13°, 2018 Workshop on Small UAVs for Precision Agriculture, Monte Roberto, Italy – Andrea Gasparri 20
ROMAResearch Challenges
Idea: Information-based Adaptive UAV trajectory planning using
different altitude flights.
• First high altitude flight for anomalies detection
only.
• Second less altitude flight at reduced speed to
inspect specific areas of interest.
First flight
Advantages:
• Reduced coverage time by increasing altitude
(=less bands);
1.7 NORM
Le dimensioni del logo possono variare rispettando l'esatto rapporto di propo
elementi che lo compongono. Per consentire sempre una chiara leggibilità, i
• Reduced amount of data by chancing spatial
essere riprodotto in dimensioni inferiori a 2,39 x 1,21 cm.
Il logo inferiore alla misura minima deve essere sostituito con una semplice s
maiuscolo e rispettando il carattere istituzionale (Times New Roman Regula
questo caso deve essere rispettata l'area di rispetto e la riproduzione in posi
resolution of the acquisition.
per sfondi colorati.
Second flight ROMA
TRE
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ROMAThanks for your attention! ;-)
Prof. Andrea Gasparri
gasparri@dia.uniroma3.it
Prof. Emanuele Garone
egarone@ulb.ac.be
Prof. Thomas Udelhoven 1.7 NORM
Le dimensioni del logo possono variare rispettando l'esatto rapporto di propo
udelhove@uni-trier.de
elementi che lo compongono. Per consentire sempre una chiara leggibilità, i
essere riprodotto in dimensioni inferiori a 2,39 x 1,21 cm.
Il logo inferiore alla misura minima deve essere sostituito con una semplice s
maiuscolo e rispettando il carattere istituzionale (Times New Roman Regula
questo caso deve essere rispettata l'area di rispetto e la riproduzione in posi
per sfondi colorati.
ROMA
TRE
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