Cada vez es más frecuente el uso de tecnologías avanzadas en agricultura en general y en olivicultura en particular, con la finalidad de gestionar los cultivos de la manera más racional y precisa. Una de las herramientas más novedosas y efectivas es la Teledetección, que básicamente consiste en toma e interpretación de imágenes aéreas, obtenidas por diferentes tecnologías, para conocer el vigor vegetal, el estado nutricional e hídrico de un cultivo, el grado y severidad de una enfermedad o plaga y valorar tratamientos de las malas hierbas para actuar en consecuencia.
En este artículo explicamos, de manera simplificada, qué es la teledetección, conceptos generales, principales tecnologías y procesos implicados. Y en el siguiente “Teledetección y Riego del olivar”, nos centraremos en cómo la aplicamos, mostrando casos reales mediante el uso de satélites, para la gestión del riego del olivar según nuestra experiencia.
Teledetección en agricultura. Uso general
La teledetección o detección remota (Remote Sensing) consiste en la observación e interpretación de objetos sin que exista contacto físico con ellos. Para cumplir este objetivo los objetos deben producir perturbaciones en su entorno, siendo esos cambios en el medio los captados por los sensores de teledetección. Los objetos pueden producir perturbaciones sobre radiación electromagnética, ondas acústicas o el campo magnético terrestre. Sin embargo, la teledetección maneja mayoritariamente técnicas de radiación electromagnética, empleando las bandas espectrales desde las ondas de radio de baja frecuencia hasta los rayos X, pasando por las bandas del visible y del infrarrojo, muy útiles en la teledetección para agricultura.
Los procesos implicados en un sistema de teledetección son:
Emisión de radiación electromagnética desde una fuente. Fuente de emisión
Interacción de la radiación con los objetos de interés y con otros objetos o medios captados por cámaras. Sensores o Cámaras de teledetección
Recepción de las ondas electromagnéticas por medio de instrumentos a bordo de una plataforma. Aparato o vehículo
Tratamiento de la información, análisis de datos o imágenes, mediante análisis visual o procesado digital. Imágenes
Explotación de la información extraída. Índices de vegetación
«Fuente de emisión»
La fuente de emisión de radiación electromagnética puede ser natural o artificial, aunque habitualmente se aprovecha la radiación solar, emite radiación en diferentes bandas del espectro electromagnético y con distintas intensidades en cada banda.
La interacción entre esta radiación y los objetos de interés puede darse en forma de reflexión, refracción, difracción o absorción. Estos procesos, para un mismo objeto, pueden ser diferentes en cada una de las bandas espectrales. Por lo tanto, para cada tipo de detección se emplean los rangos de frecuencias más adecuados, aquellos que producen mayor diferenciación entre los objetivos estudiados y su entorno o entre distintos objetivos de interés. Además de los objetos de interés, otros medios también interfieren en la radiación solar, principalmente la atmósfera y las nubes.
El suelo y la vegetación son dos de los objetivos de interés en la teledetección para la Agricultura de Precisión. Dependiendo de la composición de la capa superficial del suelo, la interacción de la radiación solar con este sigue diferentes patrones. Por ejemplo, los suelos arenosos tienen mayor reflectancia (relación entre la potencia electromagnética incidente y la reflejada) que los suelos arcillosos. Si mediante teledetección es posible conocer la composición de un suelo, entonces se pueden deducir propiedades como drenaje o cantidad de materia orgánica. Algunos de los parámetros que influyen en la reflectividad del suelo son: óxidos de hierro, humedad, materia orgánica, granulometría, mineralogía, material de origen, color, condiciones de drenaje interno y temperatura.
La vegetación ofrece diferentes patrones de absorción de radiación electromagnética, y por lo tanto diferentes patrones de reflexión. Las hojas son los componentes de la vegetación más representativos en las tareas de teledetección, puesto que constituyen la mayor parte de la superficie de las plantas expuesta a la radiación solar. Las hojas cumplen tareas de respiración, transpiración y fotosíntesis, y para esta última hacen uso de radiación visible. La medida de luz reflejada es, finalmente, una medida indirecta de la radiación absorbida, esto es, la de interés para conocer el estado de la vegetación.
Igual que ocurre con el suelo, diferentes parámetros de las hojas influyen en la radiación que es reflejada, para cada especie y para diferentes estados nutricionales. Entre otros son: los pigmentos, el contenido de agua y de aire, el estado de maduración y las condiciones de iluminación. Por ejemplo, se puede deducir la edad de una planta ya que las hojas maduras absorben menos luz visible debido al deterioro de la clorofila. También se puede estimar el déficit hídrico, ya que las hojas con estrés hídrico ven aumentada su reluctancia. Igualmente, un déficit de nutrientes influye negativamente en la creación de clorofila y por lo tanto disminuye la radiación absorbida.
«Aparato o Vehículo»
La definición de teledetección especifica que la observación de los objetos se hace sin que exista contacto físico entre ellos y los sensores. No obstante, no se incluye ninguna restricción en las distancias de adquisición de las imágenes. Las plataformas o vehículos en las que se montan los sensores de teledetección se clasifican en tres tipos: Terrestres, Aéreas o Suborbitales y Orbitales.
Las plataformas Terrestres pueden ser sistemas de adquisición manuales o transportados en Vehículos Aéreos No Tripulados (VANT), Unmanned Aerial System (UAS) o Remotely Piloted Aircraft Systems (RPAS) conocidos comúnmente como Drones.
Las plataformas Aéreas o Suborbitales pueden ser globos aerostáticos, helicópteros, aviones o cualquier otro tipo de aeronave tripulados.
Satélite
Avionetas o aviones tripulados
Por último, las ORBITALES son los satélites artificiales, que por lo general se sitúan en órbitas bajas (LEO, Low Earth Orbit) o intermedias (MEO, Medium Earth Orbit). En la actualidad las dos principales plataformas orbitales para realizar tareas de teledetección agronómica son LANDSAT y SPOT. El programa estadounidense LANDSAT realiza diversas tareas: inventario agronómico, previsión de cosechas, evaluación y control de zonas regables, planificación de recursos hídricos, cartografía de suelos, estudio de litorales, geológicos y de glaciares y control de contaminación de aguas y suelos. Por su parte, el programa SPOT, de origen europeo, está formado por una serie de satélites e infraestructuras terrestres para controlar y programar los satélites, así como para producir imágenes. Su finalidad es el estudio del uso del suelo y evolución del medio ambiente, evaluación de los recursos naturales, minería, trabajos cartográficos y topográficos. Existe una tercera plataforma para teledetección orbital IKONOS, de una empresa estadounidense, que entró en funcionamiento a finales del siglo XX como plataforma de teledetección comercial y se caracteriza por proporcionar una alta resolución espacial.
Debido al gran crecimiento en los últimos años del sector de las aeronaves pilotadas por control remoto, drones o RPAS, ha surgido la necesidad de establecer un marco jurídico, tanto a nivel europeo como nacional, que permita el desarrollo en condiciones de seguridad de este sector. Más información: Agencia Estatal de Seguridad Aérea (AESA) y European Aviation Safety Agency (EASA).
«Sensores o Cámaras»
Los sensores o cámaras de teledetección, ubicados en plataformas o vehículos, captan la radiación reflejada por los objetos que finalmente se materializan imágenes. Resulta muy importante conocer qué tipo de radiación reciben y que patrón de reflexión cumple cada uno de los objetivos; es decir, para que bandas espectrales los objetos estudiados reflejan mayor o menor cantidad de radiación. Por supuesto, la energía no reflejada es la que resulta absorbida, refractada o difractada por los objetos. Se pueden desglosar en cuatro tipos:
Visible-RGB, con una banda espectral de entre 380-780 nanómetros (nm)*.
Multiespectral, captura imágenes de hasta 100 longitudes de onda, con unas 18 bandas espectrales de entre 500- 950nm.
Hiperespectral, más precisa que la anterior, toma imágenes de 10 longitudes de onda con 400 bandas espectrales de entre 450-950nm.
Térmicas, con una banda espectral de entre 8-12 micrómetros, realiza fotografías del infrarrojo lejano y registra las temperaturas que emiten elementos como suelo, plantas, animales….
* El nanómetro es la unidad de longitud que equivale a una mil millonésima parte de un metro (1 nm = 10−9 m) o a la millonésima parte de un milímetro. Comúnmente se utiliza para medir la longitud de onda de la radiación ultravioleta, radiación infrarroja y la luz.
El tipo de plataforma y sensores de teledetección a emplear depende del objetivo que se quiera observar, pues cada una de ellas proporciona diferentes resoluciones espacial, temporal y espectral.
«Imágenes»
El producto de los sensores de teledetección se representa, según su tipo, como conjuntos de datos o como imágenes. Estas imágenes están formadas por píxeles y cada uno de ellos representa un cuadrado que contiene información sobre el objeto a estudiar para una determinada longitud de onda. Con respecto a sus características, hay que tener en cuenta la resolución a tres niveles: Espacial, Temporal y Espectral
Resolución espacial:
Efecto del cambio de resolución espacial (pixeles) para una imagen en color capturada desde una plataforma terrestre
Por lo general, las imágenes que proceden de sensores instalados en satélites tienen una resolución espacial que van de 1,64m/Pixel (Geo-Eyes), 10-20m/Pixel (Sentinel), a 30-60m/Pixel (Landsat). Los sensores instalados en aviones suelen tener una resolución de 25cm/pixel. Y los instalados en drones suelen presentar resoluciones espaciales entre 1-6cm/pixel.Viene determinada por el tamaño del pixel. Cuanto más pequeño sea este, más pequeño es el objeto a distinguir. Así, a menor tamaño del píxel mayor será la resolución espacial, lo que implica que el sensor obtendrá más detalle de los objetos.
Los sistemas suborbitales y terrestres consiguen, lógicamente, mayores resoluciones; es decir, distinguen objetos de menor tamaño.
Resolución temporal / Frecuencia de Cobertura o Temporal:
Es la capacidad del sensor para detectar cambios temporales sufridos por una misma superficie de estudio. O lo que es lo mismo, la cantidad de imágenes que se realizan de una misma finca a lo largo del ciclo de un determinado cultivo. Por tanto, cuanto mayor sea la frecuencia temporal, más cantidad de imágenes se pueden realizar y, en consecuencia, hacer un seguimiento continuo de la evolución del cultivo.
Para las plataformas orbitales, depende de la periodicidad de los satélites sobre un mismo punto, en LANDSAT es de 16 días, en SPOT de 26 días y en Sentinel cada 10 días, mientras que para las plataformas terrestres y suborbitales no existe restricción alguna.
Esta resolución es la más importante si lo que se requiere son estudios de temporalidad en casos tales como la determinación de áreas de quema de gran extensión, catástrofes naturales, análisis de la vegetación regional a nivel continental o estudios medio ambientales y meteorológicos.
En olivar, normalmente, la frecuencia temporal de las imágenes obtenidas por drones es entre dos o tres por campaña, más cantidad sería prácticamente inviable económicamente. En cambio, la frecuencia temporal de las imágenes obtenidas por satélites en una campaña es una cada 10-26 días, sin contar las imágenes que no se puedan utilizar por días nublados.
Resolución espectral:
Hace referencia a la precisión que tienen los sensores a la hora de distinguir y diferenciar entre la radiación electromagnética de distintas longitudes de onda; siendo básicamente, el número y la anchura de las bandas espectrales que puede discriminar el sensor. A mayor resolución espectral, más útil será la información que pueda ser deducida. En función de la resolución espectral es posible distinguir dos tipos de imágenes:
Multiespectrales: que generalmente capturan información entre 3 y 18 bandas de unos 100nm de ancho.
Hiperespectrales: que adquieren información en varias decenas o centenas de bandas estrechas con longitud de ondas inferior a 5nm de ancho.
Las diferencias entre ambos tipos de imágenes son múltiples, pero la principal es el número de bandas espectrales. Es decir, las imágenes hiperespectrales muestran mayor precisión que las multiespectrales.
«Índices de Vegetación»
Para procesar datos de teledetección es habitual la utilización de índices. Estos permiten sintetizar la información de diferentes bandas espectrales y maximizar las propiedades que se quieren resaltar de ciertos objetos. Por ejemplo, para maximizar la diferenciación entre la vegetación y el suelo, es decir, para realzar el contraste, se emplean índices de vegetación, que resultan de transformaciones lineales de la reluctancia obtenida para dos o más bandas espectrales.
En definitiva, los índices de vegetación permiten valorar el estado nutricional, hídrico y fitosanitario del cultivo y obtener una imagen donde se destacan gráficamente determinados píxeles relacionados con parámetros de las coberturas vegetales.
Existe gran cantidad de índices y dependiendo del tipo de cultivo y del objetivo a alcanzar proporcionan información específica y de gran valor. Para determinado grupo de cultivos como cereales, frutales, olivar… la información es precisa y muy valiosa; Sin embargo, para otros la información que se obtiene es imprecisa e incluso contradictoria. En cuanto a una determinada finalidad, algunos indican el vigor de la vegetación, otros el estrés hídrico o nutricional. Este último asociado a deficiencias de nitrógeno o asociado a infecciones por enfermedades o ataque de plagas…
De entre todos, el Índice de Vegetación de Diferencia Normalizada o Índice Vegetación Normalizado, también conocido como NDVI por sus siglas en inglés (Normalized Difference Vegetation Index), es el más utilizado en todos los cultivos. Se aplica para estimar la cantidad, calidad y desarrollo de la vegetación con base a la medición de la intensidad de la radiación de ciertas bandas del espectro electromagnético que la vegetación emite o refleja. Es decir, indica el vigor de la planta.
El NDVI es el índice más utilizado en todos los cultivos. Se aplica para estimar la cantidad, calidad y desarrollo de la vegetación. Es decir, indica el vigor de la planta.
¿Y todo esto que utilidad real tiene para el cultivo del olivo y el olivicultor?
Principalmente para una gestión más racional y precisa. La teledetección como otras tecnologías, como la Monitorización, es una herramienta más que permite conocer y visualizar el estado real de la explotación, a nivel nutricional, hídrico y sanitario para saber por qué y cómo actuar. Sin necesidad de supervisión humana directa. Esto significa que, a través de imágenes, es posible comprobar la efectividad de los tratamientos tanto fertilizantes como fitosanitarios en un corto periodo de tiempo, modificar las estrategias nutricionales, de riego y fertirriego a tiempo e incluso anticiparse a potenciales incidencias negativas, lo que implica controlar el consumo de insumos, agua, energía y, sobre todo, optimizar el tiempo del olivicultor.
Con la Teledetección es posible comprobar la efectividad de los tratamientos (fertilizantes y fitosanitarios), modificar las estrategias nutricionales, de riego y fertirriego a tiempo, anticiparse a potenciales incidencias negativas y, sobre todo, optimizar el tiempo del olivicultor.
En el siguiente artículo, Teledetección y Gestión del Riego del Olivar exponemos casos reales de gestión del riego aplicando teledetección satelital, con resultados más que positivos que confirman el interesante camino que las nuevas tecnologías proporcionan al sector y demuestran el enorme potencial que tiene la Olivicultura de Precisión como opción más racional y sostenible.