A Precision Imaging Approach to Assess Photovoltaic- Induced Shading Dynamics in Grapevine

Resumo Técnico: Uma Abordagem de Imagem de Precisão para Avaliar a Dinâmica de Sombreamento Induzido por Fotovoltaicos em Videiras

Definição do Problema
A viticultura em ambientes mediterrâneos enfrenta restrições crescentes devido ao aumento das temperaturas e à radiação solar excessiva, que aceleram o amadurecimento e comprometem a qualidade da uva. Embora os sistemas agrivoltaicos (AV) ofereçam uma solução dupla de geração de energia renovável e sombreamento parcial, o ambiente luminoso que eles criam é altamente dinâmico e espacialmente heterogêneo, impulsionado pela posição do sol, pela geometria dos painéis e pela arquitetura do dossel. Métodos tradicionais para avaliar o sombreamento, como razões de cobertura de solo (GCR) ou proxies de layout estáticos, não conseguem capturar os regimes de luz em tempo real e em escala de planta experimentados pelas videiras. Além disso, as abordagens de modelagem existentes frequentemente dependem de suposições simplificadoras sobre a transmitância do dossel que podem não refletir os padrões de sombreamento complexos e intermitentes em vinhedos comerciais. Há uma necessidade crítica de métodos de campo, não destrutivos, para quantificar essas dinâmicas de sombreamento espaço-temporais e vinculá-las diretamente às respostas fisiológicas das plantas.

Metodologia
O estudo foi conduzido durante a safra de 2025 em um vinhedo de Vitis vinifera cv. Falanghina no sul da Itália, situado sob uma estrutura agrivoltaica com painéis de filmes finos de silício amorfo. A pesquisa empregou uma abordagem de imagem RGB de tempo decorrido (time-lapse) de superfície próxima, combinada com medições radiométricas e fisiológicas.

• Desenho Experimental: Duas posições distintas de videiras foram monitoradas: Sombra Agrivoltaica (AVS), caracterizada por alta exposição ao sombreamento induzido pelos painéis, e Luz Agrivoltaica (AVL), com menor exposição.
• Sistema de Imagem: Duas câmeras de time-lapse Brinno BCC2000 foram instaladas a 2,0 m do solo, orientadas ortogonalmente aos postes de montagem dos PV para capturar os lados leste (07:00–13:00) e oeste (14:00–18:00) do dossel. As imagens foram adquiridas de hora em hora de julho a setembro.
• Análise de Imagem: Um fluxo de trabalho dedicado usando o software photoQuad foi implementado. Isso envolveu:
  1. Calibração: Usando a largura conhecida do poste de suporte do PV (9,30 cm) para converter pixels em distâncias do mundo real.
  2. Segmentação: Aplicação de um algoritmo de Fusão de Regiões Estatísticas (SRM) multiescala para distinguir áreas sombreadas de dossel iluminado.
  3. Quantificação: Cálculo da porcentagem da área do dossel sombreada dentro de quadrantes definidos (7910,12 cm²) para cada tratamento.
• Medições Fisiológicas e Radiométricas:
  • Condutância Estomática ($g_s$) e Temperatura da Folha: Medidas duas vezes por mês em 18 videiras (9 por tratamento) usando um porômetro portátil.
  • Radiometria: A Radiação Fotossinteticamente Ativa (PAR) contínua foi monitorada sob os painéis e em uma área de controle de sol pleno. Dados espectrais (PPFD, densidades de fluxo de fótons por banda para azul, verde, vermelho e a razão Vermelho:Vermelho-Distante) foram coletados usando um espectrômetro portátil.
• Análise Estatística: Testes não paramétricos (Kruskal-Wallis, teste de Dunn) foram usados para comparações de tratamento, e a correlação de posto de Kendall ($\tau$) foi empregada para avaliar as relações entre métricas de sombreamento e variáveis fisiológicas.

Principais Resultados

• Dinâmica de Sombreamento: O tratamento AVS exibiu significativamente maior sombreamento médio (76,14%) em comparação ao AVL (39,45%, $p < 0,0001$). O AVS permaneceu consistentemente sombreado ao longo do dia (atingindo o pico de 89,49% no final da tarde), enquanto o AVL mostrou sombreamento menor e mais variável. As tendências sazonais diferiram: o sombreamento do AVS diminuiu em setembro, enquanto o do AVL aumentou, refletindo a interação entre a fenologia solar e a geometria dos painéis.
• Impacto Radiométrico: A PAR média sob os painéis foi de 379,53 µmol m⁻² s⁻¹, representando uma redução de 64% em relação ao controle de sol pleno (1054,4 µmol m⁻² s⁻¹). O tratamento AVS experimentou limitação extrema de fótons (PPFD $\approx$ 52 µmol m⁻² s⁻¹) comparado ao AVL (PPFD $\approx$ 1485 µmol m⁻² s⁻¹).
• Correlações Fisiológicas:
  • Condutância Estomática ($g_s$): Mostrou uma correlação negativa moderada com o sombreamento ($\tau = -0,41$) e uma correlação positiva de moderada a forte com o PPFD ($\tau = 0,52$) e densidades de fluxo de fótons espectrais.
  • Qualidade Espectral: A razão Vermelho:Vermelho-Distante (R:FR) foi significativamente menor no AVS (0,46) do que no AVL (0,98), indicando um forte "sinal de sombra".
  • Padrões Diurnos: A $g_s$ foi significativamente maior pela manhã (face leste) do que à tarde (face oeste), um padrão atribuído a restrições hidráulicas diurnas e déficit de pressão de vapor, em vez de diferenças de sombreamento entre os lados.
  • Temperatura: A temperatura da folha não mostrou relação significativa com a $g_s$, sugerindo que a variabilidade térmica não foi o principal driver do comportamento estomático neste contexto.
• Implicações na Produtividade: Referenciando dados de produção concomitantes do mesmo local, o estudo observa que as videiras AVL alcançaram a maior produtividade. As videiras AVS mostraram uma redução de 25% no número de cachos e uma redução de 3 de 35% no rendimento em comparação ao AVL, enquanto as videiras de sol pleno mostraram reduções ainda maiores, sugerindo um "compromisso ideal" no tratamento AVL.

Principais Contribuições

1. Inovação Metodológica: O artigo apresenta um fluxo de trabalho de baixo custo e não destrutivo usando imagens RGB de time-lapse próximas para derivar métricas de sombreamento temporalmente explícitas. Esta abordagem vai além das estimativas geométricas estáticas para fornecer dados resolvidos em campo sobre a interceptação de luz.
2. Validação Fisiológica: O estudo demonstra que as métricas de sombreamento derivadas de imagens estão fortemente correlacionadas com variáveis radiométricas e fisiológicas relevantes para a planta, especificamente a condutância estomática e a disponibilidade de fluxo de fótons.
3. Caracterização da Heterogeneidade AV: A pesquisa quantifica o contraste acentuado entre o sombreamento de alta densidade (AVS) e o sombreamento intermediário (AVL) dentro do mesmo layout agrivoltaico, destacando como o posicionamento dos painéis cria microambientes distintos com diferentes implicações fisiológicas.

Significância e Alegações
Os autores afirmam que este fluxo de trabalho oferece uma ferramenta prática para o monitoramento e gestão de precisão de sistemas agrivoltaicos. Ao fornecer dados diretamente explícitos no tempo sobre a dinâmica de sombreamento, a abordagem apoia a avaliação do microambiente da cultura específica no local. O estudo sugere que, embora o sombreamento de alta densidade (AVS) possa amortecer contra a radiação extrema, ele pode limitar a assimilação de carbono e o rendimento em culturas que amam o sol, como as videiras. Por outro lado, o sombreamento intermediário (AVL) pode oferecer um equilíbrio ideal, mantendo a capacidade fotossintética enquanto mitiga o estresse térmico. O artigo conclui que tais métricas baseadas em imagens podem guiar o design de sistemas agrivoltaicos (espaçamento de painéis, altura, orientação) para melhor atender aos requisitos de luz específicos da cultura, passando de modelos teóricos para estratégias de gestão empiricamente fundamentadas.