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La teledetección en agricultura. Índice de vigor NDVI

By 7 marzo, 2019 No Comments

La agricultura avanza tecnificándose y el ritmo de tecnificación es, de alguna manera, más lento que en industrias análogas consolidadas. La fluctuación de mercado sobre la venta de los productos agrícolas, el aumento constante del precio de los insumos y la degradación de los agrosistemas están forzando a miles de agricultores a la búsqueda de nuevas soluciones tecnológicas más eficientes, rentables y sostenibles.

Para introducir nuevos dispositivos y servicios tecnológicos en el tejido agrícola se deben cumplir dos requisitos fundamentales. El primero es que se mejore el rendimiento económico de las explotaciones y el segundo que se reduzca el impacto que genera la agricultura sobre el medio ambiente. Si se cumplen ambas condiciones la tecnología ira penetrando cada vez con mayor inercia en el tejido agrícola. De lo contrario, los avances que se hagan en los centros de investigación, departamentos de I+D y el sector académico quedaran relegados a un segundo plano. Por lo tanto, es de vital importancia una buena gestión de las nuevas tecnologías en la agricultura.

 

Introducción

La teledetección es una disciplina científica que trata de adquirir información de cuerpos a distancia basándose en la radiación. Para la aplicación agrícola es necesario entender la fisiología de la planta y cómo responden los distintos cultivos a la radiación en función de su estado sanitario y de desarrollo. Es importante entender la radiación en su espectro electromagnético para determinar aquellas longitudes de onda más útiles en el estudio del vigor, el estado hídrico, la nutrición y la afección de plagas y enfermedades.

Por lo tanto, la teledetección agrícola es una disciplina descendiente de la física de la tierra y que converge con un conjunto de disciplinas agronómicas como la fisiología vegetal, la nutrición, la edafología, la química agrícola y la meteorología entre otras.

 

Fundamentos de la teledetección

En este trabajo se pretende recoger de forma metódica pero resumida los fundamentos de la teledetección en la agricultura además de la aplicación y usos de los distintos índices. Aquí se trata de abordar la teledetección, una disciplina incipiente, desde el inicio para entender mejor aquella información que aporta y el potencial de futuro que supone.

Para comenzar se debe entender como interacciona la radiación con la materia. Si se habla en terminos de flujo radiante:

 

    Φ incidente = Φ reflejado + Φ absorbido + Φ transmitido

 

Ilustración 1 Diagrama de flujo radiante

 

Como se observa en la imagen parte de la radiación es absorbida por la planta para realizar sus procesos vitales, parte es transmitida por el cuerpo del vegetal, parte es emitida a la atmósfera y, por último, una parte de la radicación es reflejada directamente tras incidir sobre el vegetal.  La radiación reflejada directamente a la atmósfera es aquella que aporta la mayor cantidad de información. A partir de esta se puede interpretar como utiliza la planta la radiación y determinar su grado de desarrollo.

Sin adentrarse en el abismo de la física cuántica, se puede resumir que la radiación se comporta de 2 maneras al mismo tiempo. Por un lado, se puede entender como onda y por otro, como partícula, el fotón.

 

Ilustración 2 Dualidad de la radiación

 

Proceso fisiológico de fotosíntesis

Para entender el proceso de fotosíntesis es muy útil examinar el movimiento del fotón desde el sol al interior de la célula vegetal.

 

Ilustración 3 Movimiento del fotón al interior de la célula

En primer lugar, el fotón inicia su camino desde el sol llegando a la atmósfera. Una vez atravesada la atmosfera llega al cuerpo del vegetal y aquí penetra en el interior de la célula. Debemos recordar que el fotón es prácticamente carente masa y por lo tanto interacciona muy poco con la materia, le cuesta poco penetrar en la célula. Una vez en el interior de la célula, este fotón llega al cloroplasto, orgánulo celular encargado de la fotosíntesis y lo atraviesa llegando a la membrana de los tilacoides, orgánulo que se encuentra en el interior del cloroplasto. En esta membrana es donde se encuentran los pigmentos fotosintéticos, principalmente las clorofilas y los carotenos, que son los encargados de comenzar con el proceso fisiológico. El fotón impacta sobre el complejo antena situado en el pigmento y le transmite la energía que transporta para desencadenar el transporte de electrones y comenzar con el proceso fotosintético.

 

Las plantas en función de su estado sanitario son capaces absorber o reflejar distintos fotones en función de su longitud de onda de esta manera se puede desentrañar si su funcionamiento es correcto.

 

Espectro electromagnético

Para entender los fundamentos de la teledetección es conveniente que se comprenda el espectro electromagnético:

Ilustración 4 Espectro electromagnético

En la imagen anterior se muestra el espectro electromagnético que desde rayos Gamma con longitudes de onda cortas y mucha energía a ondas de radio con longitudes de onda largas con muy poca energía.

Para trabajar en teledetección agrícola es importante estudiar desde el rango visible hasta parte del infrarrojo, desde 400 nm a 2500 nm.

Una vez presentada la fracción del espectro electromagnético útil en teledetección agrícola es importante introducir uno de los términos clave en esta disciplina, la signatura espectral.

 

Signatura espectral. Fundamento de la teledetección agrícola

La signatura espectral es una curva característica del cultivo que generalmente sigue la misma dinámica en diferentes cultivos y lo que muestra es la reflexión de la radiación en las distintas longitudes de onda al incidir sobre el vegetal.

Ilustración 5 signatura espectral de vegetación sana y con posibles problemas

En esta gráfica se muestran dos curvas. En verde se puede observar como refleja la radiación la vegetación sana y en rojo la vegetación con problemas o estresada.

El eje de las X corresponde a la longitud de onda del espectro desde visible a infrarrojo y en el eje Y se observa el porcentaje de reflexión de la radiación de 0 a 100%.

Por lo tanto, se puede determinar que la vegetación sana refleja poco en el azul (400 nm) y el rojo (700 nm), entendiendo con esto que se está produciendo absorción ya que son longitudes de onda importantes en la fotosíntesis. Por el contrario, se refleja el verde (500 nm) y el infrarrojo (750 nm) en gran medida ya que es radiación que la planta no utiliza para sus procesos y de alguna manera la refleja. Si se analiza la curva de la vegetación con problemas o estresada se observa que se comporta de manera lineal, se refleja mas en visible y menos en infrarrojo. A partir de estas dos curvas y del procesado de imágenes se puede interpretar como se encuentra el estado de desarrollo del cultivo.

 

Cámaras multiespectrales. El dispositivo central

 

 

Ilustración 7 Cámara multiespectral Parrot Sequoia

 

 

Ilustración 6 Cámara multiespectral ISTAR SCMOS

El dispositivo central de la teledetección es la cámara multiespectral. A continuación, se muestran un par de modelos comerciales.

Mediante este tipo de cámaras se toma un paquete de imágenes en cada uno de los disparos, tantas imágenes como sensores se instalen en la cámara. A continuación, se observa un diagrama de signatura espectral con los sensores en las distintas longitudes de onda que lleva montados la cámara Parrot Sequoia.

Una vez tomadas las distintas series de imágenes con las cámaras multiespectrales se deben procesar con el software apropiado. Gran parte del software GIS nos será útil para obtener los distintos índices. En resumen, todo aquel programa informático que permita hacer cálculos entre imágenes será útil para el procesamiento.

NDVI

El NDVI es el índice diferencial de vegetación normalizado y hace referencia al vigor de las plantas. Su formula es la siguiente:

 

Su rango de valores está situado entre -1 y 1 siendo de -1 a 0 sin vegetación y de 0 a 1 vigor creciente, alcanzando el máximo vigor en el 1.

Si se procesa una o varias imágenes mediante la fórmula anteriormente citada y se le aplica una rampa de color de rojo a verde pasando por amarillo, se obtiene la siguiente imagen.

 

Ilustración 9 Mapa de NDVI

Se puede observar claramente las zonas de transito como caminos en color rojo ya que no existe vegetación y dentro de las parcelas con cultivo el gradiente de tonalidades de color verde más intenso con máximo vigor a zonas verde pálido con bajo vigor.

Por último, hay que recordar que el dispositivo central de la teledetección es la cámara multiespectral y esta puede estar montada en tractores, drones, avionetas o satélites.

 

Programa espacial europeo. Copérnicus

El programa copérnicus es el programa de satélites de observación de la tierra europeo, liderado por la agencia espacial europea (ESA) y la comisión europea (CE).

En este programa espacial se prevé el lanzamiento de 30 satélites aproximadamente desde 2011 hasta 2030.

Ilustración 10 Cronograma de lanzamientos del programa Copérnicus

Hoy en día en agricultura se utiliza para la teledetección la constelación de satélites Sentinel que consta de 2 satélites gemelos, Sentinel 2A y 2B.

Estos satélites utilizan cámaras multiespectrales de 13 bandas. Cada vez que se descarga uno de estos archivos se descarga un paquete de 13 imágenes en distintas longitudes de onda. En la siguiente tabla se muestran cada una de las bandas con las que trabaja esta misión.

Ilustración 11 Bandas de la constelación Sentinel

Los datos generados por la misión Sentinel 2A y 2B pueden ser fácilmente descargados en la web habilitada para ello. Scihub copernicus.

 

 

Bibliografía

  • Descarga de archivos Sentinel 2A y 2B

https://scihub.copernicus.eu/dhus/#/home

  • Teledetección ambiental: la observación de la tierra desde el espacio. Emilio Chuvieco

 

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