Geomatic data fusion in smart farming and forestry: from single tree measurements to forest observations

Given the continuous and steady increase in new geomatic technologies and devices, we are facing a new era of support for the surveys and management of farming and forestry sectors. The increase in computational power, the constant reduction in technology-related costs and the growing manageability of developed sensors have led to an increasing involvement of geomatic devices in various farming and forestry sectors, leading to the widespread use of the terms “smart farming” and “smart forestry”. Based on this premise, this PhD thesis aims to analyse the main advantages of digitalization and 3D modelling in these domains. The thesis answers questions such as: What are the main advantages and limitations of LiDAR sensors from mobile devices in different contexts? Can LiDAR Data Fusion be a suitable solution for forest observations? Through two reviews of scientific literature from the last decade, the current state of international research on these topics has been analysed, providing a detailed insight into the possibilities that these devices, either individually or fused with other sensors, can offer for the management and study of farming and forestry domains. This PhD thesis demonstrates how knowledge of the technologies used, combined with the expertise of an expert of the area to be analysed, can lead to the correct application of geomatic devices. The thesis replies to the following question: How could geomatic techniques support individual tree detection? There is not always an "all-in-one" solution; sometimes, to obtain the correct information or a complete and accurate 3D model, it is important to fuse the outputs obtained from different devices to leverage their strengths and overcome their inherent limitations. The ability to use such devices must be linked to an understanding of both the surrounding area and to what needs to be analysed, as in the farming and forestry sectors we often face continuously evolving ecological environments that are also influenced by seasonality. Proper planning of geomatic surveys and proper control of operations are therefore crucial to obtain useful data to address the various needs of the farming and forestry sectors. This PhD thesis, through three studies on individual trees in different contexts (urban, forest and agronomic), demonstrates how the use of different devices and technologies, fused or alone, can provide significant support in each analysed context.

Dato il continuo e costante aumento delle nuove tecnologie e dei dispositivi geomatici, ci troviamo di fronte a una nuova era di supporto per il rilievo e la gestione dei settori agricoli e forestali. L’aumento della potenza computazionale, la costante riduzione dei costi legati alla tecnologia e la sempre maggiore maneggevolezza della sensoristica sviluppata hanno fatto sì che sempre più dispositivi geomatici fossero coinvolti nei vari settori agricoli e forestali, portando all'ampio utilizzo dei termini “smart farming” e “smart forestry”. Partendo da questa premessa, la presente tesi di dottorato analizza i principali vantaggi della digitalizzazione e della modellizzazione 3D in questi ambiti. I risultati presentati in questa tesi vogliono rispondere a domande come: Quali sono i principali vantaggi e i limiti della sensoristica LiDAR da dispositivi mobili nel settore agroforestale? Può la LiDAR Data Fusion rappresentare una soluzione idonea per le osservazioni forestali? Tramite due revisioni della letteratura scientifica pubblicata negli ultimi dieci anni, è stato analizzato lo stato attuale delle ricerche scientifiche internazionali su questi argomenti. Si fornisce quindi una visione dettagliata sulle possibilità che questi dispositivi LiDAR, singolarmente o fusi con altra sensoristica (attiva o passiva), possono offrire per la gestione e lo studio degli ambienti agricoli e forestali. La tesi dimostra come la conoscenza delle tecnologie impiegate, unita alla competenza di un esperto del settore d’impiego, porti alla corretta applicazione dei diversi dispositivi geomatici per l’acquisizione del dato necessario. La seguente tesi, grazie a tre studi effettuati su singoli individui arborei in diversi contesti (urbano, forestale ed agronomico) risponde alla seguente domanda: quale potrebbe essere il supporto delle tecniche geomatiche per gli approcci di studio e rilievo del singolo albero? Non sempre, infatti, queste tecniche sono una soluzione "all-in-one"; a volte, per ottenere le informazioni corrette o modelli 3D completi ed accurati, è importante unire gli output ottenuti da diversi dispositivi per sfruttarne i vantaggi e superarne i limiti impliciti. La capacità di impiegare tali dispositivi e gestirne i loro output deve essere legata alla conoscenza dell'ambiente e a ciò che si desidera analizzare, poiché spesso ci troviamo di fronte a ambienti in continua evoluzione che sono anche influenzati dalla stagionalità. La corretta pianificazione del rilievo geomatico e il controllo delle operazioni da effettuare sono quindi fondamentali per ottenere dati utili nel rispondere alle diverse esigenze dei settori analizzati.