Remote sensing approaches for district-level irrigation monitoring = Approcci di telerilevamento per il monitoraggio dell'irrigazione a livello distrettuale

The largest consumer of freshwater resources is the agricultural sector, globally around 70% of all freshwater withdrawals are used for food production. However, less than 60% of all the water used for irrigation is effectively consumed by crops. One form of sustainable intensification of food production is irrigation. Irrigated agricultural food production systems use 70% of global annual water consumption, and whilst irrigated land use comprises only 16% of global cropland, irrigated landscapes produce around 44% of the total food production. Climatic variability and change have implications not only for crop water use and water availability for agriculture but also for crop development. the Mediterranean region is particularly vulnerable to climate change, with forecasts indicating greater warming and increased precipitation variability. These changes are expected to have significant repercussions for irrigation, affecting water availability for agriculture and potentially amplifying critical water resources. conflicts among users dependent on these Lack of proper water allocation practices has also made water resources management challenging. water allocation procedures must meet the expectations of all stakeholders at the same time ensuring sustainability of the resources. Earth Observation (EO) methods have demonstrated their capability to serve as a source of unbiased, precise, economical, and current data pertaining to various influential factors, particularly those influencing extensive regions characterized by significant temporal variability, such as irrigation agriculture. EO techniques can be effectively utilized to achieve a dual-purpose: - - Mapping actual irrigated area, often missing or untrustworthy dataset. Estimating irrigation requirements. In the present study, Remote Sensing (RS) methodologies were applied to estimate evapotranspiration and irrigation water requirement for subsequent 1 comparison with registered volumes recorded by flowmeters installed upstream at the district level. The initial step involved the detection of irrigated areas using unsupervised classification, distinguishing those under irrigation from non-irrigated areas. This initial stage is of fundamental importance as it forms the basis for evaluating the effectiveness of the estimation methods. To estimate the irrigation volumes, a one-step Penman Monteith (P-M) approach was employed, integrating surface parameters (leaf area index and hemispherical shortwave albedo) and resistance values derived from optical satellite Sentinel-2 data, complemented by in-situ agro-meteorological data. The estimates obtained using the P-M method, with adjustments for leaf resistance in perennial crops and considering evapotranspiration and transpiration (sparse canopy coverage), demonstrated an agreement with the registered volumes in the district. To further validate the findings, an assessment of actual evapotranspiration and estimated irrigation requirements was conducted using a combination of the P-M and Shuttleworth and Wallace (S-W) approaches. This was further enhanced by integrating the physical Optical Trapezoid Model (OPTRAM) to dynamically adjust leaf and soil resistance with the Short-Wave Infrared (SWIR) band in Sentinel-2, representing soil and canopy water statues. The use of these integrated methods produced positive outcomes, enabling the evaluation of the irrigation techniques used by farmers and the analysis of stress conditions. This, in turn, contributes to the enhancement of water allocation and irrigation management practices in the Mediterranean region.

Il settore agricolo è il principale consumatore di acqua dolce, rappresentando globalmente circa il 70% di tutti i prelievi di questo tipo di risorsa per la produzione alimentare. Tuttavia, meno del 60% dell'acqua impiegata per l'irrigazione viene effettivamente utilizzata dalle coltivazioni. Una forma di intensificazione sostenibile della produzione alimentare è l’irrigazione. I sistemi di produzione agro-alimentari irrigui utilizzano il 70% del consumo globale annuo di acqua e, mentre l’uso dei terreni irrigati comprende solo il 16% delle terre coltivate globali, le superfici irrigate producono circa il 44% della produzione alimentare totale. La variabilità e il cambiamento climatico hanno implicazioni non solo sull’uso e sulla disponibilità di acqua per l’agricoltura, ma anche sullo sviluppo delle colture. La regione mediterranea è particolarmente vulnerabile ai cambiamenti climatici, con previsioni che indicano un maggiore riscaldamento e una maggiore variabilità delle precipitazioni. Si prevede che questi cambiamenti avranno ripercussioni significative sull’irrigazione, influenzando la disponibilità di acqua per l’agricoltura e potenzialmente amplificando i conflitti tra gli utenti che dipendono da queste risorse idriche critiche. Anche la mancanza di adeguate pratiche di allocazione dell’acqua ha reso difficile la gestione delle risorse idriche. Le procedure di allocazione dell’acqua devono soddisfare le aspettative di tutte le parti interessate garantendo allo stesso tempo la sostenibilità delle risorse. I metodi di osservazione della Terra (OT) hanno dimostrato la loro capacità di servire come fonte di dati imparziali, precisi, economici e attuali relativi a vari fattori influenti, in particolare quelli che influenzano vaste regioni caratterizzate da una significativa variabilità temporale, come l'agricoltura irrigua. Le tecniche OT possono essere utilizzate efficacemente per raggiungere un duplice scopo: - Mappatura dell'effettiva area irrigata, spesso con dati mancanti o inaffidabili. - Stima del fabbisogno irriguo. Nel presente studio, le metodologie di Telerilevamento sono state applicate per stimare l'evapotraspirazione e i fabbisogni irrigui, per poi procedere al successivo confronto con i volumi registrati dai flussimetri installati a monte a livello distrettuale. Il passo iniziale prevedeva la mappatura delle aree irrigate mediante classificazione non supervisionata, distinguendo quelle irrigate da quelle non irrigate. Questa fase iniziale è di fondamentale importanza, in quanto costituisce la base per valutare l'efficacia dei metodi di stima. Per stimare i volumi di irrigazione, è stato utilizzato l’approccio PenmanMonteith (P-M) “one-step”, integrando parametri di superficie (indice di area fogliare e albedo emisferico a onde corte) e valori di resistenza derivati dai dati del satellite multispettrale Sentinel-2 (S2), integrati da dati meteorologici acquisiti in-situ. Le stime ottenute mediante il metodo P-M, con correzioni per la resistenza fogliare nelle coltivazioni arboree, considerando l'evapotraspirazione (ET) e/o la traspirazione (T) (nel caso di una copertura parziale della chioma), hanno dimostrato un buon accordo con i volumi registrati nel distretto. Per convalidare ulteriormente i risultati, è stata condotta una valutazione dell’evapotraspirazione effettiva (ETa) e dei fabbisogni irrigui stimati, utilizzando una combinazione degli approcci P-M e Shuttleworth e Wallace (S-W). Ciò è stato ulteriormente migliorato integrando il modello OPTRAM (OPtical TRapezoid Model) per modulare dinamicamente la resistenza fogliare e del suolo, mediante l’utilizzo della banda dell’infrarosso a onde corte (SWIR) del S2, sensibile al contenuto idrico nel sistema suolo-pianta. L'utilizzo di questi metodi integrati ha prodotto risultati positivi, consentendo la valutazione delle tecniche di irrigazione utilizzate dagli agricoltori e l'analisi delle condizioni di stress. Ciò, a sua volta, contribuisce al miglioramento delle pratiche di allocazione dell’acqua e di gestione dell’irrigazione nella regione del Mediterraneo.