Información de precisión a “vuelo de pájaro”
Tecnología

Los drones aplicados en bosques nativos: herramientas para capturar y analizar información en la empresa agropecuaria.


Por Julián y Rafael Sabattini
Ingenieros Agrónomos. Consultora La Protegida, Área Natural Protegida “La Esmeralda”


Es un hecho claro y real que la revolución industrial denominada “4.0” ha llegado al sector agropecuario, masificado en el sector agrícola, empleando técnicas para el sector forestal e incipientemente en la ganadería extensiva.

Esta revolución, a priori, no tiene el objetivo de reemplazar o sustituir mano de obra sino más bien de aliarse en forma rápida, sencilla y de bajo costo al ser humano para aumentar su capacidad de análisis, decisión, y también de observación en el espacio, como es el caso de los vehículos no tripulados, comúnmente llamados drones. Es decir, hacer realidad una metáfora muy utilizada como “hagamos una recorrida a vuelo de pájaros”.

La ingeniería ha desarrollado una forma de volar efectiva para las personas en el cual pueda ampliar su mirada del espacio en el tiempo, prácticamente al alcance de cualquiera. Solo basta con adquirir un drone y disponer un teléfono para comenzar un “vuelo de pájaros”.

Esta “revolución tecnológica” integra, por ejemplo, la tecnología digital a las prácticas agrícolas con el objetivo de que las empresas del sector puedan aumentar sus rendimientos, reducir sus costos, minimizar el uso de agua, combustible, fertilizante, herbicidas, insecticidas, fungicidas y el daño a los cultivos durante prácticas de manejo, adaptarse a las condiciones actuales de un clima cambiante, entre otros secundarios que no se listan.

En la actualidad existen diversas herramientas, equipos, plataformas, nubes y aplicaciones para celular que están mejorando los procesos agrícolas con un enfoque de rápida conectividad, automatización y alta eficiencia. Estas mejoras en el proceso de producción suponen para los consumidores alimentos más baratos, inocuos y de mejor calidad. Es decir, la finalidad de este proceso de tecnificación es la optimización cíclica en el cual los datos deben ser recolectados del campo, analizados y evaluados, para finalmente ser utilizados en la toma de decisiones para el manejo específico del sitio del campo.

Por lo tanto, toda la “revolución” se sustenta en la optimización de los recursos disponibles para maximizar los resultados, los alimentos. Optimizar no es sinónimo de extracción continua, sino de utilización sustentable garantizando los pilares fundamentales del concepto: el medio ambiente, la generación de un crecimiento económico y el desarrollo de una sociedad.

Los Vehículos Aéreos No Tripulados (VANT) o drones tienen una participación importante en esta revolución. Las tecnologías de adquisición de datos e información incluyen el software y los equipos físicos utilizados en el registro.

La captura de información por medio de satélites y/o drones dependen del espectro electromagnético utilizado, dado que aplican diversas longitudes de onda para obtener las imágenes georreferenciadas (por ejemplo: luz visible, luz infrarroja, rayos gamma, rayos X, ultravioleta).

Esta herramienta tiene una gran ventaja: el piloto está en tierra comandando a la nave, modificando su rumbo de acuerdo con la observación en primera persona. Si bien las ventajas son numerosas, es posible listar tres que los drones tienen frente a otras tecnologías disponibles: 1) mejoran la resolución espacial, es decir los objetos sobre el terreno se observan con mayor nitidez; 2) tienen una resolución espacial adaptada al usuario porque pueden diagramarse vuelos diariamente; y 3) pueden adaptarse diferentes sensores dentro del espectro electromagnético, logrando imágenes en el visible o bien con otras longitudes de ondas.

Si bien los drones no ofrecen una cobertura a nivel nacional (al igual que los satélites o aviones grandes), generalmente se consideran más baratos para su uso, que las plataformas aerotransportadas cuando se enfocan en áreas comparativamente pequeñas. Su portabilidad y facilidad de uso también permiten al usuario realizar encuestas según los requisitos del usuario local, ofreciendo así una mejor resolución temporal que la mayoría de las plataformas.


Comparación de la resolución espacial entre imágenes satelitales y fotografías aéreas con el drone en bosques nativos (1) y chacras destinadas a la agricultura (2). Es visible y contrastable el cambio del patrón observable entre ambas coberturas, lo heterogéneo de las coberturas boscosas (1) frente a lo homogéneo de la chacra (2).


En términos sencillos, el funcionamiento general del drone para relevamientos de recursos naturales como para el monitoreo de parcelas agrícolas es básicamente el siguiente: 1) planificación y configuración del vuelo (área de interés, altitud, superposición, resolución de imagen, ángulo de captura, entre otras) mediante aplicación Android o IOS; 2) la ejecución del vuelo automático del drone y captura de fotografías georrefenciadas; 3) la obtención de una fotografía corregida denominada “ortomosaico” mediante un software específico o bien, plataforma en línea; 4) el empleo de algoritmos específicos en función de los objetivos del estudio, por ejemplo clasificaciones no supervisadas como son los índices de vegetación; y por último 5) la interpretación agronómica o bilógica de lo que está mostrando una imagen.

Los objetivos de utilización son ampliamente conocidos y en continuo desarrollo, en campos agrícolas se usan para generar mapas que permitan entender la salud de los cultivos, detectar áreas problemáticas y tomar decisiones para remediar cualquier problema de forma rápida y eficiente.

Monitoreo de biomasa

Sin embargo, las aplicaciones un tanto menos estudiadas o bien con menor cantidad de información disponible de campo hasta el momento son la estimación y monitoreo de biomasa forestal nativa o implantada, el conteo, la detección y la identificación de plantas arbóreas, arbustivas y herbáceas mediante algoritmos de inteligencia artificial, la clasificación de los estratos verticales de vegetación, la estimación de la cubierta del dosel forestal, entre otros aspectos.

Recientemente un grupo de investigadores latinoamericanos han realizado una revisión del tema que tuvo por objetivo analizar la perspectiva que ofrecen los drones aplicados en estudios forestales alrededor del mundo desde el año 2012 a la fecha. Los resultados son impactantes, llegando a publicarse más de 20 artículos científicos por año en revistas de alto prestigio mundial. “Remote Sensing” y “Forest” son revistas científicas especializadas que publican los avances más vanguardistas en materia de tecnologías de percepción remota, destacándose en los últimos años la aplicación de los drones en el sector forestal.

La creación de redes de colaboración de autorías, lideradas por científicos finlandeses ha resultado estratégica para potenciar el desarrollo de esta temática. Este grupo de investigadores vislumbra áreas de oportunidad para su aplicación en manejo, silvicultura de precisión y protección.

Globalmente, se observó una disminución significativa en la tasa de deforestación, pero en muchas naciones en desarrollo sigue siendo muy alta. La reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) de la deforestación tiene el mayor potencial para la mitigación del cambio climático global.

En 2005, la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático (CMNUCC) inició un proceso para investigar cómo el concepto de Reducción de Emisiones por Deforestación y Degradación de los bosques (REDD) podría ayudar a combatir el desafío del cambio climático debido a las emisiones de GEI en los países en desarrollo ricos en bosques. A través de REDD, los países deben obtener incentivos económicos, pero es escasa la disponibilidad de metodologías sólidas y consistentes para el monitoreo, reporte y verificación como para que los incentivos pagados puedan basarse en evidencia y vincularse directamente con la cantidad de reducción de emisiones de carbono.

Las alternativas de bajo costo existentes que podrían reemplazar a los métodos basados en el monitoreo de la cubierta forestal a campo se basan en observaciones satelitales.

Sin embargo, los sensores pasivos no tienen suficiente precisión y los activos son de difícil procesamiento y muy alto costo.

La fotogrametría de estructura a partir del movimiento (Structure from Motion - SfM, por sus siglas en inglés) que utilizan los drones pequeños de bajo costo es, por lo tanto, una posible alternativa rentable para áreas de bosques donde la cubierta boscosa es heterogénea como el caso de los bosques nativos de Entre Ríos.


Figura en la que se observa como las imágenes del drone a través de la superposición y el ángulo de captura pueden elaborar una estructura tridimensional a partir del movimiento (SfM) de las diferentes coberturas presentes en el campo: el bosque nativo (1), la zona baja con vegetación inundable (2), las chacras con cultivos sembrados (3) y las áreas de caminos transitados con maquinaria agrícola (4). En todas ellas es posible capturar características cualitativas (por ejemplo, el volumen) como así también cuantitativas (por ejemplo, el tipo de vegetación). En la imagen inferior derecha se consigna la posición de la captura del drone sobre una fotografía en vista vertical.


SfM ha surgido recientemente como un método económico para extraer la estructura 3D de una escena de múltiples fotografías superpuestas para generar nubes de puntos de alta calidad similares a las generadas por el escaneo láser aéreo. Su potencial para caracterizar las estructuras forestales se ha realizado durante mucho tiempo, pero se ha visto obstaculizado por las dificultades en los algoritmos para realizar con precisión la comparación de imágenes en áreas densamente vegetadas.

Los pequeños drones son una plataforma ideal para el desarrollo del SfM porque operan a distancias de unas pocas decenas de metros sobre el suelo, proporcionando datos con resolución espacial subdecimétrica, es decir, órdenes de magnitud más finos que los sensores espaciales con la capacidad de resolver árboles y plantas individuales para la estimación de biomasa.

Investigación práctica en la región

Estudios de este tipo han sido pioneros e iniciados recientemente en la provincia de Entre Ríos en el Área Natural Protegida “La Esmeralda” ubicada en cercanías de la localidad de Hasenkamp. Allí se facilitan los medios necesarios para la investigación y el desarrollo científico de herramienta, tecnología y procesos aplicados al monitoreo ambiental, principalmente en relación con la conservación y el uso sostenible de los recursos naturales.

El objetivo es establecer en forma rápida y sencilla la biomasa forestal almacenada para luego determinar el potencial de captura de carbono de los sistemas boscosos nativos.

Actualmente se encuentra en proceso de validación con la evaluación de parcelas fijas a campo y su correspondencia con datos aéreos de alta definición. Esta información es indispensable para realizar la validación del potencial de captura de carbono por certificadores internacionales para poder ingresar a un mercado económico.

El bosque nativo presenta una marcada heterogeneidad espacial en sus aspectos estructurales (estratos que lo conforman: arbustivo, arbóreo y herbáceo), fisonómicos (formas de los individuos) y florísticos (diferentes especies). Estas cualidades traen como consecuencias variaciones en el potencial de captura de carbono de los ambientes. Por ejemplo, un bosque nativo situado en las riberas de un curso de agua presenta todos los estratos superpuestos con una alta diversidad de especies arbóreas de diferentes formas. Estas condiciones generan mayor biomasa y en consecuencia mayor potencial de captura. Caso contrario ocurre con un bosque nativo alto o bajo abierto, con escasa cobertura de estratos herbáceos y arbustivos. Esta condición genera menor potencial de captura en la cobertura vegetal, tomando mayor peso relativo para la contribución como mitigación al cambio climático la captura de carbono del suelo superficial.

Tradicionalmente se realizan parcelas de superficie conocida y formas variables en las que se extraen un sinnúmero de variables mediante la medición con instrumentos específicos. Sin embargo, se está trabajando en el diseño de un procedimiento sencillo basado en la disponibilidad de las ecuaciones alométricas para las especies de árboles más importantes de los géneros dominantes: Prosopis spp (algarrobos y ñandubayes) y Vachellia spp (espinillos y breas). Las otras especies arbóreas son menos frecuentes comportándose ecológicamente como acompañantes y pueden despreciarse en la metodología generando una subestimación de la información.

Estas ecuaciones permiten estimar la biomasa de cada árbol por medio de relaciones matemáticas utilizando variables de medición a campo sencillas como el diámetro a la altura del pecho (más conocido como DAP) o bien, la altura del dosel arbóreo. Esta última puede ser estimada por medio de imágenes del drone.


Sin embargo, previamente debe emplearse un algoritmo de detección de especies para relacionar cada especie con su altura. Teniendo la identificación de los individuos en el terreno, se puede estimar la densidad arbórea del lote y el volumen total acumulado. La biomasa arbórea actualmente se determina utilizando relaciones matemáticas provistas por organizaciones internacionales por medio de constantes.

Esta nueva metodología que está en proceso de desarrollo avanzado no genera un reemplazo de la información de campo, sino que eleva la precisión de la información dado que aumenta la capacidad de observación. Este es el objetivo central del desarrollo, es decir, generar información de calidad a “vuelo de pájaro”.

Monitoreo de especies arbóreas invasoras

Las especies invasoras son una de las principales causas de pérdida de biodiversidad y una amenaza para muchos servicios ecosistémicos como así también para la producción.

La provincia de Entre Ríos cuenta con un número reducido de especies arbóreas invasoras que compiten con el nicho ecológico de las nativas, como es el caso de la acacia negra, paraíso, ligustro, entre otras.

El mapeo preciso de la vegetación a nivel de especie es una herramienta esencial para la gestión pública o privada y manejo de áreas invadidas, porque permite implementar estrategias de intervención orientando los esfuerzos de restauración y además gestionar los procesos. Sin embargo, mapear la vegetación a nivel de especie usando plataformas tradicionales como imágenes satelitales de mediana y alta definición espacial resulta difícil. Es aquí la necesidad de imágenes capturadas por vehículos no tripulados como drones. Estas permiten altas resoluciones espaciales como así también temporales.


Fotografía aérea tomada en el período invernal con el drone sobre un área de bosques nativos con la invasión de especies exóticas. Se contornean especies que pueden ser clasificadas como exóticas por sus características contrastantes respecto al resto de los individuos. Algunas especies conservan las hojas sobre el árbol como el ligustro (1) mostrando tonalidades verdes oscuras, mientras que otras pierden su totalidad de las hojas como la acacia negra (2) con tonalidades más claras que representan las ramas de los árboles. Las especies nativas también expresan un comportamiento similar con colores sepias los algarrobos (3) que retienen hojas en las ramas, mientras que otras características del espinal como la mora (4) amarillan sus hojas y luego se caen al suelo.


Las características estructurales propias de la especie, como por ejemplo la altura del dosel y su forma pueden ser capturados por los drones. Estas aeronaves pueden capturar imágenes con superposición suficiente de modo tal de obtener estructurales 3D. Estos beneficios permiten un enfoque espectral-estructural integrado que puede ser aprovechado para la discriminación a nivel de especie incorporando características del paisaje. Otro aspecto interesante es que las plantas durante el año cambian su aspecto, porque sus hojas caen, brotan nuevas hojas o simplemente florece. Esta dinámica temporal propio de la fenología, genera condiciones para discriminar aún más los patrones espaciales y es aquí donde los drones no tienen limitación alguna.

El metro cuadrado en la Entre Ríos