Caracterização das soluções digitais utilizadas na rega

Utilizam diferentes bandas do espetro eletromagnético para captar informações sobre o estado das culturas, o teor de humidade do solo, a utilização da água e outros fatores ambientais. São úteis para monitorizar regularmente grandes áreas de terreno.

Através destas imagens, é possível obter informações sobre a variação da humidade em diferentes partes da parcela agrícola. As imagens podem mostrar ineficiências nos padrões existentes de rega, como a distribuição desigual da água, e ajudar a otimizar os sistemas de rega para garantir uma cobertura uniforme. Devemos ressaltar, pela sua utilidade no regadio, o NDVI (Normalized Difference Vegetation Index - Índice de Vegetação por Diferença Normalizada) (Rouse et al., 1973). O NDVI pode ser usado para detetar stress hídrico nas culturas antes de se tornar visualmente aparente. Um decréscimo nos valores de NDVI (os valores de NDVI variam entre -1 e 1) pode indicar uma necessidade de água não satisfeita, permitindo aos agricultores ajustar as suas práticas de rega para abordar especificamente as áreas que mostram sinais de stress. Isto é particularmente útil em grandes explorações onde a monitorização visual direta não é prática.

A principal limitação deste índice é o facto de ter tendência a saturar quando o coberto vegetal é muito denso.

Existem vários programas de dados abertos para a visualização de imagens de satélite:

Da mesma forma, o programa Copernicus oferece serviços de informação baseados em dados de observação da Terra por satélite (utilizando o satélite Sentinel) e dados in situ (não espaciais).

Os serviços e dados do Copernicus são fornecidos aos utilizadores de forma gratuita https://www.copernicus.eu/es.

Os drones são veículos aéreos não tripulados (UAV) de pequena e média dimensão, que devem ser operados por pessoal qualificado.

Os drones podem transportar diferentes tipos de sensores, como câmaras multiespectrais, câmaras térmicas e LiDAR (Light Detection and Ranging ), sensores de infravermelhos próximos (NIR). Fornecem informações semelhantes às imagens de satélite, mas com imagens de alta resolução e com uma frequência variável, dependendo da altura em que os voos são efetuados.

Na agricultura, podem ter diferentes aplicações:  Os drones equipados com sensores de infravermelhos próximos (NIR) ou câmaras térmicas podem identificar zonas da parcela com diferentes níveis de humidade.

 Podem também incorporar sensores capazes de medir indicadores-chave da saúde do solo e das culturas. Esta informação pode ser utilizada para aplicar água e fertilizantes de forma mais eficiente, maximizando a absorção de nutrientes e minimizando o desperdício.

 Em alguns sistemas mais avançados, os dados recolhidos por drones podem ser diretamente integrados em sistemas de rega inteligente. Isto permite que a rega seja automaticamente acionada em áreas que os dados indicam serem deficientes em humidade.

É de notar que a utilização de drones está sujeita a uma série de autorizações e regulamentos que exigem uma consulta prévia.

Estes sensores medem continuamente o fluxo de seiva no tronco e nos ramos para estimar indiretamente a transpiração. Permitem o cálculo das necessidades hídricas da cultura com base em coeficientes culturais determinados para as diferentes fases de desenvolvimento da cultura a partir da transpiração estimada. O funcionamento destes sensores consiste na aplicação de uma fonte de calor constante no fluxo de seiva bruta (sensor invasivo) ou na sua proximidade (sensor externo), através de uma resistência elétrica inserida numa sonda e alimentada por uma bateria. A temperatura na proximidade desta fonte é afetada pela maior ou menor intensidade do fluxo de seiva, sendo a perda de calor diretamente proporcional a esse fluxo (caudal).

Com duas ou mais sondas inseridas radialmente no xilema, são medidas as variações de temperatura que, com a correlação adequada, permitem obter o valor da transpiração de forma contínua e quase em tempo real. Esta correlação, é influenciada pelo tipo de planta e várias variáveis climáticas (radiação solar, etc.), portanto, deve ser calibrada a saída do sensor para que a medição seja proporcional ao fluxo de seiva. Sem calibração, o erro na estimativa da transpiração pode ser da ordem dos 34 %.

É necessário dissociar o efeito da procura evaporativa da atmosfera das informações sobre o fluxo de seiva, a fim de obter informações reais sobre o estado da cultura.

Podem ser utilizadas em culturas lenhosas e em algumas plantas herbáceas com caules grossos e resistentes (milho e girassol).

Existem diferentes procedimentos para determinar as variações de temperatura em função do fluxo de seiva. Nas condições mediterrânicas, o mais adequado é o método do quociente calórico, uma variante do método do impulso térmico.

Até à data, a utilização destes sensores está concentrada no domínio da investigação e é muito limitada a nível comercial.

Medem permanentemente o estado hídrico da árvore através da variação da pressão que o contéudo celular da folha gera na parede celular.

O registo diário da variação da pressão foliar e da temperatura ambiente permite-nos saber se a árvore está corretamente hidratada ou em stress por falta de água, e podemos mesmo discriminar entre três estados da planta:  Bem regado  Stress ligeiro  Stress severo

A diferença de temperatura entre a folha e o ar está relacionada com o nível de água da folha, pelo que esta diferença pode ser utilizada para medir o estado hídrico das plantas.

Desvantagens dos sensores de proximidade instalados na planta:  Precisão: As respostas dadas por estes tipos de sensores podem, por vezes, ser semelhantes perante uma situação de stress hídrico, ou de excesso de rega. Por este motivo, é necessário receber informações adicionais de outros tipos de dispositivos, tais como sensores de humidade do solo.

 Custo: A instalação destes dispositivos pode ser dispendiosa, especialmente em grandes extensões de terreno.

 Complexidade técnica: A instalação e manutenção de sensores requerem conhecimentos técnicos específicos. Isto pode ser um desafio para os agricultores ou técnicos que não estão familiarizados com estas tecnologias.  Danos e durabilidade: Os sensores no terreno estão expostos a condições ambientais que podem danificá-los ou diminuir a sua vida útil, como a chuva, o vento e a exposição direta ao sol.

Recentemente, apareceram no mercado sensores que permitem monitorizar o potencial hídrico do caule em registo contínuo, com base em microtensiómetros.

O microtensiómetro para monitorização contínua do potencial hídrico do caule nas culturas frutícolas proporciona uma compreensão muito maior das variações do estado hídrico das plantas, uma vez que integra o ambiente do ar e do solo, bem como a fisiologia e a condução da cultura (Lakso et al., 2022). A informação contínua sobre este parâmetro melhora significativamente a capacidade de determinar as práticas de gestão da rega, especialmente em culturas conduzidas em défice hídrico, como a vinha para vinho, ou em situações em que a disponibilidade de água para a rega é limitada. Os dados de monitorização estão disponíveis em tempo real numa plataforma fácil de utilizar para os gestores de rega.

Outras inovações estão a ser realizadas em França com o resultado de sinais elétricos nas plantas. Trata-se do sensor de biointerface VS8 para registar a atividade elétrica das plantas. Esta atividade da planta permite a troca de informações em todo o organismo vegetal. Está associada à capacidade de se adaptar rapidamente aos estímulos externos, nomeadamente aos fatores de stress ambiental.

Considera-se atualmente que desempenha um papel fundamental na adaptação das plantas ao stress biótico e abiótico (empresa Vegetal signal, França).

Permitem medir o conteúdo volumétrico da água, informação que será utilizada na programação da rega. Existem diferentes tipos de sensores dependendo do seu princípio de funcionamento, sendo os mais comummente utilizados as sondas dielétricas (capacitivas), TDR (refletometria no domínio do tempo) e FDR (refletometria no domínio da frequência).

Os diferentes tipos de sondas dielétricas determinam a constante dielétrica do solo (como um meio que não tem condutividade elétrica) por vários procedimentos. A constante dielétrica de um solo muda quando a percentagem de ar e água varia, pelo que as mudanças nesta variável estão relacionadas com o conteúdo volumétrico de água.

Fornecem o teor de humidade volumétrica do solo ao longo do tempo. O valor do teor de humidade registado a uma determinada hora do dia é normalmente utilizado para calcular o défice de água no solo, informação necessário para a programação da rega.

O teor de humidade do solo varia com a profundidade, pelo que se efetuam medições a diferentes profundidades para determinar a evolução do teor de humidade na zona mais superficial, na zona onde se concentram as raízes das culturas e na zona fora do alcance das raízes para observar a ocorrência ou não de percolação, como mostra a figura seguinte.

Na imagem acima pode-se observar que o sensor capacitivo tem um formato tubular, o que permite medir o teor de humidade a diferentes profundidades, enquanto os outros dois tipos de sensores necessitam da instalação de uma sonda em cada profundidade a medir. O tipo de solo e as práticas agrícolas realizadas no terreno onde a sonda será instalada devem ser tidos em conta na hora de a escolher, e qualquer um deles são dispositivos fiáveis.

É importante ter em conta, ao utilizar a informação dos sensores de humidade do solo, que estes são medições pontuais do teor de humidade. Idealmente, deveria estar disponível pelo menos um sensor em cada sector de rega.

Estes dispositivos são robustos e resistentes a condições climatéricas adversas, como altas temperaturas e humidade, garantindo a sua fiabilidade e longa vida útil no campo (podem ser utilizados em diversas campanhas).

Foram concebidos para serem fáceis de instalar e exigirem um mínimo de manutenção, o que os torna adequados para utilização numa vasta gama de ambientes agrícolas.

A fim de fornecer informações adequadas, é aconselhável seguir estes critérios de instalação:  Instalar o dispositivo sob a vertical de um gotejador para monitorizar corretamente o teor de água no solo após aplicações de rega.

 Na zona de maior volume de raízes da cultura para observar as alterações na humidade do solo devido à absorção da cultura. Em culturas lenhosas cerca de 50 cm  A várias profundidades (15, 30 e 45 cm dependendo da cultura):

• 15 e 30 cm - disponibilidade de água para a planta.

• 45 cm - perdas por percolação  Bom contacto com o solo

• Ter cuidado para não alterar a estrutura do solo.

Os sensores do Potencial matricial do Solo (PMS) medem direta ou indiretamente a força com que o solo retém a água. Este potencial reflete o estado hídrico do solo: quanto mais baixo (mais negativo) for o valor, maior é a força com que o solo retém água e vice-versa. A função que relaciona o potencial matricial do solo com o teor de água é designada por “curva caraterística do solo”. Com esta informação é possível determinar o valor da capacidade de campo e o ponto de emurchecimento permanente do solo da cultura e calcular com precisão o balanço de humidade do solo e, consequentemente, a dotação de rega.

Permitem identificar o momento da rega, embora não detetem as regas em excesso.

Sabe-se que a capacidade de campo, independentemente da textura ou do tipo de solo, se situa entre -5 e -33 kPa e que o ponto de emurchecimento permanente é de cerca de -1500 kPa. Nem todos os equipamentos de medição do potencial matricial são adequados para todos os tipos de solos, pelo que é muito importante saber em que gama se encontra e escolher bem o equipamento correto.

Existem diferentes tipos de sensores de potencial matricial Tensiómetros. O sensor consiste num tubo cheio de água com uma cápsula de cerâmica porosa numa das extremidades, que é enterrada no solo à profundidade de medição desejada; a outra extremidade do tubo é ligada a um sensor de pressão negativa (vacuómetro).

Quando o solo seca há um aumento da tensão matricial (a leitura absoluta do tensiómetro aumenta), enquanto quando fica húmido há uma diminuição (a leitura absoluta do tensiómetro diminui), podendo atingir-se valores próximos de zero quando o solo fica saturado de água. A partir desta propriedade é possível estimar o teor de água do solo. Para solos hortícolas, este tipo de sensor é normalmente utilizado, uma vez que estes solos têm níveis de humidade bastante elevados, entre a saturação e a capacidade de campo, sendo mais interessante medir a tensão do solo do que a sua humidade.

São normalmente utilizados em culturas lenhosas ou em estratégias de rega com défice controlado, uma vez que podem ser atingidos níveis potenciais de -230 kPa. Aplicam o princípio da resistência elétrica variável devido a alterações na humidade do solo ou calculam a constante dielétrica do solo para determinar a tensão da água no solo.

Medem a salinidade do solo, o que pode afetar a absorção de água e nutrientes pelas plantas.

O Ministério da Agricultura do Governo de Espanha, através da Subdireção Geral de Regadios e Infraestruturas Rurais, põe à disposição dos utilizadores, de forma gratuita, toda a informação recolhida através da Rede de Estações Agrometeorológicas SiAR.

Trata-se de uma infraestrutura que recolhe, regista e divulga os dados climáticos necessários para o cálculo da procura de água nas zonas regadas. Fornece informação útil, rigorosa e de qualidade que permite aos técnicos e aos agricultores calcular as necessidades hídricas das culturas e programar a rega. Com esta ferramenta, é possível obter um melhor planeamento, gestão, manuseamento e controlo das explorações de rega, de modo a promover a poupança de água e energia e a satisfazer as exigências tecnológicas dos profissionais do sector.

É composto por mais de 500 estações meteorológicas, que representam uma cobertura aproximada de 90% da superfície irrigável de Espanha e fornecem a informação necessária para determinar a evapotranspiração de referência e o posterior cálculo das necessidades hídricas das culturas regadas.

Trata-se de uma rede colaborativa que combina as estações próprias do Ministério e as das 12 comunidades autónomas que participam, as quais asseguram também o contacto direto com o regante, o utilizador final da informação do sistema. https://servicio.mapa.gob.es/siarweb/

O Centro Operativo e de Tecnologia de Regadio (COTR), em Portugal, tem estado envolvido na transferência de tecnologia do regadio, em serviços relacionados com o uso eficiente da água de rega. A aplicação da agrometeorologia tem sido uma das principais áreas de trabalho com o objetivo principal de estimar as necessidades hídricas das culturas, por ser considerada uma atividade fundamental para o desenvolvimento de uma agricultura sustentável e competitiva, procurando não só aumentar a eficiência do uso da água, mas também aumentar a eficiência do uso da água de rega, o que normalmente é feito aquando do planeamento também para conseguir a maior precisão possível no momento da aplicação, respondendo não só às questões técnicas do sector mas também às pressões ambientais.

A determinação das necessidades hídricas das culturas tem dois objetivos principais:  Dimensionamento - que é normalmente feito quando se planeia a implementação da rega. Tem como principal objetivo estimar o consumo anual, de forma a estabelecer a superfície máxima regada em relação à disponibilidade existente, e as necessidades durante o período de ponta, que permitam dimensionar a rede de rega.

 Gestão (Avisos de Rega) - que é normalmente realizada durante a operação de uma área regada. Tem como principal objetivo determinar, com a maior precisão possível, a quantidade de água a aplicar em função do estado fenológico da cultura.

Informação básica para a criação de um serviço de notificação de rega  Informação agrometeorológica de qualidade, necessária para estimar a Evapotranspiração de Referência da Cultura (Eto): temperatura do ar, humidade relativa do ar, velocidade do vento a 2 m e radiação solar global. Para além destes parâmetros, é importante monitorizar a precipitação para fazer o balanço hídrico.

 Cultura: são utilizadas as informações existentes nas bases de dados de culturas (Allen et al., 1998), com a caraterização das principais fases de desenvolvimento vegetativo da cultura (duração) e a identificação dos períodos em que a cultura é mais ou menos sensível ao stress. Estas informações são adaptadas às condições reais da região.

Para garantir o serviço de aviso de rega no Alentejo, o COTR tem em funcionamento, desde 2001, a rede SAGRA (Sistema Agrometeorológico para a Gestão da Rega no Alentejo), constituída por 14 estações meteorológicas automáticas, que caracterizam as principais áreas de rega do Alentejo.

A partir da informação sazonal é também possível caraterizar climaticamente uma região, o que pode servir de base para o estudo da adaptabilidade de novas culturas. É ainda possível desenvolver produtos agrometeorológicos como os

graus-dia que indicam o desenvolvimento fenológico, as unidades de frio que indicam o aparecimento do repouso vegetativo com base na temperatura média horária e a identificação de fenómenos meteorológicos extremos (trombas de água, tornados, etc.).

Paralelamente ao serviço de aviso de rega, o COTR desenvolveu o serviço MOGRA

• Modelo de Gestão da Rega para o Alentejo (www.cotr.pt/mogra), apoiado na rede de estações meteorológicas automáticas e baseado na técnica do balanço hídrico, que permite o acesso a um serviço online. Serviço de programação da rega de acordo com a metodologia proposta pela FAO e utilizando bases de dados de solos, culturas e tecnologias de rega. O modelo fornece um calendário de rega ótimo (a estratégia é regar quando a água facilmente utilizável se esgota) e um calendário de rega real que permite ao utilizador visualizar o comportamento da sua gestão da rega, com a introdução das regas efetuadas, e assim decidir sobre a oportunidade de rega. Para complementar esta informação podem ser utilizados equipamentos de monitorização do solo ou das plantas.

Em França, existem muitas redes de estações meteorológicas dedicadas à população, geridas pela Météo France, mas também dedicadas à agricultura como a Sencrop, uma plataforma agrometeorológica ligada a estações meteorológicas locais. As cooperativas também estão a criar estações meteorológicas colaborativas, e a Union des Coopératives Agricoles de l'Allier (UCAL) tem atualmente mais de 40 estações ligadas.

A empresa francesa ISAGRI oferece mesmo uma plataforma de estações meteorológicas agrícolas conectadas, como a Weenat, que permite aos agricultores seguir a informação meteorológica em tempo real a partir dos seus campos através de redes meteorológicas conectadas.

Trata-se de um sensor que mede o caudal de um fluido através de uma superfície. De agora em diante, apenas serão abordados caudalímetros utilizados para medir o caudal de água que passa através de uma conduta. Nas redes de rega pressurizadas, são normalmente utilizados os seguintes tipos de caudalímetros:  Caudalímetros eletromagnéticos  Caudalímetros ultrassónicos  Contadores mecânicos com emissores de impulsos.

Mede a pressão (força por unidade de área) exercida pela água num ponto de uma instalação hidráulica. A unidade de medida da pressão no sistema internacional é o Pascal (N/m²), mas na prática são utilizadas outras unidades, como o bar, a atmosfera ou o PSI (libras por polegada quadrada).

Os sensores de pressão da água são normalmente transdutores, ou seja, transformam a pressão medida pelo elemento sensor numa saída analógica elétrica normalizada. Encontramos principalmente sensores com saída de 4-20 mA ou 0-10 V, embora ultimamente, devido aos requisitos de adaptação para nós IoT, estejam a ser utilizadas outras saídas elétricas: 1-5 V, 0- 5 V, 0,5-4,5 V e saída RS-485 com ModBus. O sinal elétrico fornecido é análogo ao valor da pressão medida, menos o valor fornecido pelos transmissores de comunicações, que nos dão diretamente a pressão na unidade escolhida.

As gamas de pressão de medição são muito amplas, tal como as caraterísticas do sensor, tais como ligações elétricas, ligações ao processo, tipo de saída elétrica, tipo de medição, etc. Por conseguinte, existe uma grande quantidade de variabilidade de oferta no mercado.

O conhecimento da pressão em diferentes pontos de uma rede permite:  Saber como se desenvolve o processo de distribuição e impulsão da água.

 Melhorar a qualidade da rega: através da monitorização da pressão nas parcelas, é possível obter a melhor uniformidade de rega possível, controlando a pressão de rega.

 Estudo da eficiência da distribuição de água: Com vários sensores podemos determinar as perdas de pressão que ocorrem em elementos singulares da distribuição de água (filtros, etc.) e em secções desta. Ao recolher estes dados e analisá-los, é possível prever possíveis falhas futuras e procurar soluções e correções antes de estas ocorrerem, minimizando as perdas de água.

 Estudo da eficiência das bombas: Através da monitorização do desempenho do sistema de bombagem e da manutenção de registos, podem ser estabelecidos limiares mínimos de eficiência, de modo a que, se a eficiência descer abaixo destes valores são gerados alarmes e podem ser tomadas medidas corretivas.

 Indiretamente, pode ser medido o nível de água num depósito (sensores de pressão hidrostática) e também o caudal circulante através de um tubo (medidores de fluxo por pressão diferencial).