La teledetección para la agricultura se puede definir simplemente como «observar un campo o cultivo sin tocarlo». Aunque la detección remota puede ser tan simple como una «inspección del parabrisas» de un campo desde un camión a 55 mph, la historia de la detección remota moderna comenzó cuando se tomaron fotografías en blanco y negro del paisaje por primera vez desde el aire. El primer esfuerzo organizado para adquirir fotografías aéreas apareció a fines de la década de 1930 por parte del Departamento del Ejército. Finalmente, el Servicio de Conservación y Estabilización Agrícola adoptó la tecnología y comenzó a recopilar fotografías indexadas del paisaje con fines agrícolas. Muchas de estas fotografías todavía están disponibles a través de Farm Service Agency. La teledetección, en la actualidad, incorpora nuevas tecnologías que brindan información cada vez más eficiente, completa, precisa y oportuna.
Las tecnologías de teledetección proporcionan una herramienta de diagnóstico que tiene al menos dos funciones importantes, así como muchos otros usos en el manejo de cultivos específico del sitio. La teledetección se puede utilizar para medir la reflectancia de la energía luminosa del dosel del cultivo, lo que puede ser útil para detectar el estrés de las plantas mientras aún hay tiempo para corregir el problema. Las imágenes o mapas creados con sensores remotos también brindan un método rápido para estimar la extensión de una característica importante de un cultivo o la ubicación de áreas de un campo que parecen tener características similares. Estas imágenes o mapas son útiles para desarrollar planes de exploración para el examen directo del suelo detectado o las condiciones de la planta y para desarrollar planes de tratamiento específicos para el sitio.
Al igual que los mapas de rendimiento, las imágenes de detección remota fomentan la investigación creativa de las prácticas de gestión a largo plazo. Las imágenes de detección remota proporcionan un método visual para comprender los efectos de los insumos gestionados, como los fertilizantes, y las prácticas culturales, como la labranza. También son útiles para comprender el impacto de factores ambientales como el drenaje o las infestaciones de plagas. A diferencia de los mapas de rendimiento, que afectan solo las decisiones futuras, las imágenes de detección remota pueden recopilarse varias veces durante la temporada de crecimiento y permiten tomar decisiones de manejo oportunas para corregir problemas o deficiencias en el cultivo actual. Por esta razón, la tecnología de teledetección agrega una dimensión importante al manejo de cultivos específico del sitio.
(abre en una nueva ventana)Fotografías aéreas históricas
Las fotografías aéreas históricas pueden proporcionar información valiosa sobre el estado actual de la tierra. Estas fotografías suelen ser en blanco y negro y constituyen un buen ejemplo de la forma más sencilla de teledetección. Cada vez es más común poner un valor en estos registros históricos e intercambiarlos como si fueran parte de la tierra a medida que la tierra cambia de manos. Las fotografías pueden ayudar a los propietarios a visualizar las diferencias históricas en el uso de la tierra que ocurrieron años o décadas antes.
1939 fotografía aérea
Fotografía de 1939.
1956 fotografía aérea
Fotografía de 1956.
1968 fotografía aérea
Fotografía de 1968.
1982 fotografía aérea
Fotografía de 1982.
Fotografía aérea de 1990
Fotografía de 1990.
Una imagen digital detectada a distancia
Figura 1
Una imagen digital de detección remota, arriba, que indica la variabilidad en el pH del suelo en un campo refleja las diferencias en las prácticas agrícolas a lo largo de los años, como se muestra en esta serie de fotografías aéreas históricas.
Un ejemplo principal de la importancia de estos registros está relacionado con la consolidación de tierras agrícolas. El tamaño promedio de los campos ha crecido en las últimas décadas al consolidar los campos que alguna vez se cultivaron por separado en campos más grandes que son más eficientes de administrar. Cuando se consolidan los pastizales adyacentes y los campos labrados, esas áreas que alguna vez estuvieron separadas no se comportan de la misma manera bajo la nueva estrategia de manejo uniforme. El resultado es un campo grande con cambios abruptos en las características del suelo o la productividad en la unión de los límites de campo antiguos y de otro modo invisibles. Una fotografía antigua puede proporcionar información que se puede utilizar para comprender esa variabilidad.
En la siguiente serie de fotografías (Figura 1), el mapa de pH de un campo de aproximadamente 80 acres tiene un patrón distinto que parece haberse desarrollado al cultivar el campo más grande como varios campos más pequeños. El mapa de 1990 muestra claramente una línea de árboles que separa el campo en dos partes distintas. La foto de 1982 proporciona aún más pistas sobre algunas de las diferencias en el pH. Aquí, la evidencia de erosión por barrancos desde el extremo sur del campo hasta el extremo norte también parece haber sido al menos parcialmente responsable de la variabilidad en el pH debido a la erosión y la deposición y apoya la idea de que se ha producido un movimiento dramático de la capa superficial del suelo dentro del campo. También es evidente que este campo alguna vez fue parte de un campo más grande que se extendía hacia el oeste y que una granja en la esquina suroeste ha causado al menos una variabilidad menor en el mapa de pH. La foto de 1968 proporciona pocas o ninguna pista adicional sobre la variabilidad en el pH, pero demuestra claramente que las prácticas pasadas causaron diferencias en el dosel del cultivo actual y que el gran campo de la foto de 1982 se había dividido previamente como está ahora. Finalmente, las fotos de 1956 y 1939 proporcionan evidencia de que las diferencias en el pH de hoy son el resultado de las diferencias en las prácticas agrícolas de hace medio siglo.
Las fotografías aéreas antiguas también pueden recordar o informar a un administrador sobre la eliminación de granjas antiguas, estanques poco profundos, vías de ferrocarril y cercas. Estas características a menudo indican áreas de marcadas diferencias en la gestión pasada. Áreas donde las prácticas de manejo, incluidas las cantidades y tipos de cal, fertilizantes, estiércol y labranza, pueden seguir causando variabilidad en el crecimiento de los cultivos durante muchos años después de la consolidación de los campos. Fotografías aéreas históricas están disponibles en las oficinas locales de la Agencia de Servicios Agrícolas. A menudo se encuentran disponibles fotografías que datan de la década de 1950 y algunas que se remontan a fines de la década de 1930.
(abre en una nueva ventana)Fotografías aéreas e imágenes digitales modernas
Las fotografías aéreas de archivo son útiles para detectar posibles efectos de prácticas de gestión histórica. Las fotografías aéreas modernas del cultivo actual pueden ayudar a detectar la variabilidad debido a prácticas de manejo más recientes y problemas que incluyen drenaje deficiente, malezas, insectos, nematodos y enfermedades.
La mayor parte de los análisis de datos de detección remota se realizan en una computadora con imágenes digitales. Las imágenes se pueden adquirir digitalizando fotografías de cámaras de película o directamente con cámaras digitales y otros instrumentos electrónicos especializados. Una fotografía que ha sido digitalizada está representada por cientos de miles o millones de puntos llamados píxeles (elementos de imagen) y se almacena electrónicamente. Las cámaras digitales registran la reflectancia con conjuntos de pequeños sensores y almacenan imágenes directamente, sin el uso de película fotográfica. Se pueden utilizar filtros de luz, sensores electrónicos avanzados y películas especiales para recolectar energía luminosa invisible para el ojo humano y de porciones específicas del espectro electromagnético (EM). A través de estas tecnologías, La teledetección con imágenes digitales puede proporcionar mucha más información diferente a la que pueden proporcionar las fotografías en blanco y negro. Es importante tener un conocimiento básico de la luz para apreciar la variedad de tecnologías utilizadas en la teledetección.
(abre en una nueva ventana)Espectro electromagnético
Figura 2
La luz visible en el extremo rojo del espectro tiene una longitud de onda más larga (frecuencia más baja) que la luz en el extremo violeta.
La luz visible es energía electromagnética, que viaja en forma de ondas. Los colores que vemos se deben a diferencias en la frecuencia o longitud de onda de esta energía electromagnética (Figura 2). Los colores de un arco iris son un ejemplo evidente de luz de la región visible del espectro electromagnético; estos colores son rojo, naranja, amarillo, verde, azul y violeta. La luz roja tiene la longitud de onda más larga de todas las luces visibles. Las longitudes de onda a menudo se expresan en nanómetros (nm), una unidad de medida equivalente a la mil millonésima parte de un metro. La parte visible del espectro varía desde aproximadamente 700 nanómetros (el extremo rojo de la parte visible del espectro) hasta 400 nanómetros (el extremo violeta de la parte visible del espectro).
La luz visible es solo una pequeña parte del espectro electromagnético (Figura 3) que puede ser útil para analizar suelos y cultivos. La luz infrarroja, caracterizada por longitudes de onda mayores que las del espectro visible, varía entre 700 nm y 100.000 nm. En particular, la luz infrarroja reflejada, que varía de 700 nm a 3000 nm, es útil en la teledetección para detectar el estrés en las plantas en crecimiento. Algunas regiones adyacentes del espectro también tienen importancia en la teledetección. Estos incluyen las longitudes de onda más largas de la región de microondas de 1 mm a 1 my las longitudes de onda más cortas de la región ultravioleta, con longitudes de onda más cortas que el extremo violeta del espectro visible (400 nm). Más pequeños aún son los rayos X y otras formas de radiación. Las longitudes de onda más largas que las de la región de microondas se utilizan para transmisiones de radio.
La luz visible es una banda relativamente estrecha en el espectro electromagnético.Figura 3
La luz visible es una banda relativamente estrecha en el espectro electromagnético (EM). La teledetección mide la reflectancia de la radiación EM tanto dentro como fuera del rango visible.
(abre en una nueva ventana)Propiedades de reflectancia del suelo, el agua y las plantas.
Para la mayoría de las aplicaciones, las cámaras e instrumentos similares dependen de la energía del sol para iluminar la superficie a fotografiar. La luz se transmite, absorbe o refleja según las propiedades de los materiales que incide. Eventualmente, toda la luz es absorbida por algún objeto o reflejada. La energía luminosa que se absorbe se convierte en calor. La luz reflejada se puede registrar mediante una película fotográfica o sensores electrónicos.
Cuando la energía del sol incide sobre una superficie, la cantidad y el tipo de reflectancia depende de la composición de la superficie que incide y del ángulo de incidencia. Por ejemplo, el suelo de color claro refleja más luz solar que el suelo oscuro. Por el contrario, el suelo oscuro absorbe más energía de la luz solar y se calienta más rápidamente. Los cuerpos de agua tienen características de reflectancia diferentes a las del suelo desnudo, y la calidad de la reflectancia varía con la profundidad y la turbidez del agua.
La reflectancia total de la superficie de las plantas varía a lo largo de la temporada y durante el día a medida que cambia la energía solar. Sin embargo, la información más útil la proporcionan las diferencias de reflectancia entre las diversas porciones del espectro EM. Estas diferencias de reflectancia a lo largo de todo el espectro EM se pueden utilizar para distinguir la vegetación sana de la vegetación necrótica o estresada. Varios factores, como la sequía, la deficiencia nutricional, las enfermedades, los nematodos y las lesiones por herbicidas pueden reducir o alterar el contenido de clorofila y otras sustancias que afectan la reflectancia de la vegetación.
La clorofila absorbe la mayor parte de la luz de las porciones roja y azul del espectro visible, pero refleja las longitudes de onda verdes; por lo tanto, las hojas aparecen verdes cuando el contenido de clorofila es alto. Cuando las hojas pierden clorofila, hay menos absorción y proporcionalmente más reflejo de las longitudes de onda rojas, lo que hace que las hojas parezcan rojas o amarillas (el amarillo es una combinación de longitudes de onda rojas y verdes). La estructura interna de las hojas sanas también refleja la luz infrarroja cercana; por lo tanto, la reflectancia del infrarrojo cercano es una excelente medida de la salud de la vegetación de los cultivos.
Algunas veces se utilizan técnicas de filtrado para capturar la luz reflejada de una o más porciones específicas del espectro que están altamente correlacionadas con características importantes de la planta. Las proporciones de reflectancia de entre estos tipos específicos de luz pueden servir como «huellas digitales o firmas» para detectar características del suelo, el agua y los cultivos importantes en el manejo del cultivo. Por lo tanto, los colores o sombras en un mapa desarrollado a partir de datos de detección remota podrían representar colores verdaderos o colores falsos. Los colores falsos proporcionan una representación visual de propiedades de reflectancia específicas medidas directamente o categorías de ciertas combinaciones de propiedades de reflectancia que representan una alta probabilidad de una condición particular, como el estrés causado por deficiencias de nutrientes, enfermedades o sequía.
(abre en una nueva ventana)Recopilación de imágenes de detección remota
En la mayoría de los casos, el proceso de recopilación y procesamiento de datos de detección remota se adapta mejor a organizaciones comerciales o especialistas que pueden permitirse invertir el tiempo y los recursos financieros necesarios para desarrollar técnicas confiables para la recopilación de datos. Al distribuir los costos en un área grande o entre un gran número de granjas, las empresas comerciales pueden permitirse ofrecer imágenes utilizando la mejor tecnología disponible.
(abre en una nueva ventana)Tecnologías fotográficas y electrónicas especializadas
Photographic film is basically of two types — panchromatic and color. Panchromatic film, which is used to provide black-and-white images, is sensitive to visible light as well as infrared light up to 900 nm and ultraviolet light down to 300 nm. Normal color film consists of three layers sensitive to red, green and blue light and produces photographs that look normal to the eye. Color-infrared (CIR) film is also a three-layer film but is sensitive to infrared, red and green light. When processed, CIR film results in a «false color» image in which the infrared light is printed as red, red light is printed as green, and green vegetation appears blue. The remaining blue light often offers little useful information. Multiband photography uses multiple lenses and various combinations of films and filters to record simultaneous photographs of the landscape from several small or discrete spectral ranges.
Se utilizan varias tecnologías para recopilar datos de reflectancia de forma electrónica. La terminología utilizada para describir estas tecnologías a menudo incluye prefijos como multi e hiper para indicar aproximadamente cuántas bandas separadas de reflectancia se miden. El término multiespectral típicamente implica que se miden aproximadamente cuatro bandas relativamente anchas de reflectancia, mientras que el término hiperespectral generalmente implica que se miden algo del orden de 100 bandas de reflectancia relativamente estrechas.
Las cámaras digitales y los escáneres multiespectrales registran datos mediante el uso de dispositivos de carga acoplada (CCD). Las cámaras digitales utilizan una serie de CCD sensibles a varias porciones del espectro EM para proporcionar instantáneas del paisaje, mientras que los escáneres multiespectrales registran sucesivos barridos estrechos de luz a medida que el campo de visión del instrumento se mueve a través del paisaje. Los datos de reflectancia multiespectral se recopilan típicamente como tres o cuatro bandas espectrales en anchos de 10 a 100 nanómetros. Los filtros montados en lentes se utilizan para registrar por separado la energía luminosa de dos o tres porciones del espectro visible (luz roja, verde y azul), así como la luz infrarroja cercana. Los datos de reflectancia hiperespectral suelen incluir más de 100 bandas espectrales estrechas con anchos de banda muy estrechos y proporcionan una gran cantidad de información.
Los datos de reflectancia disponibles comercialmente se recopilan utilizando aviones de ala fija o satélites que proporcionan una plataforma para el equipo de detección. Los datos se indexan espacialmente para que se puedan generar imágenes georreferenciadas de un campo. La calidad o el valor de los datos de teledetección están relacionados con la resolución espectral, espacial y temporal.
La resolución espectral es el grado en que se separan las longitudes de onda de la luz en el espectro. Se utilizan varios tipos de sensores para recoger la luz reflejada de varias porciones del espectro EM. Una imagen en blanco y negro (escala de grises) tiene una resolución espectral baja porque está compuesta de luz de todo el espectro visible, pero los colores no se clasifican. Por el contrario, una imagen en color tiene una resolución espectral más alta. En la práctica, se utilizan filtros y sensores múltiples para recolectar luz de muchas porciones estrechas del espectro EM para proporcionar una alta resolución espectral.
La resolución espacial es la cantidad de detalle de una imagen. La diferencia entre una resolución espacial buena y mala se puede considerar como la capacidad de detectar objetos pequeños. Por ejemplo, un observador que mira una imagen con una resolución espacial deficiente puede apenas ser capaz de detectar la presencia de un vehículo en el paisaje, pero es posible que no pueda distinguir un tractor de un camión. El mismo observador que usa una imagen con alta resolución puede detectar características lo suficientemente pequeñas como para distinguir entre los dos objetos.
La resolución espacial de las imágenes obtenidas por teledetección suele ser de 2 a 4 metros por píxel, lo que suele ser adecuado para detectar características importantes de la superficie. Ocasionalmente, los aviones vuelan a altitudes más bajas para proporcionar una resolución más alta del orden de 0,5 metros por píxel. El ancho de la imagen o «huella» se estrecha con la altitud más baja, así como con el uso de lentes de zoom.
La resolución temporal es la diferencia de tiempo entre imágenes sucesivas. Las imágenes adquiridas con solo unos días de diferencia brindan la capacidad de detectar cambios en la reflectancia que pueden indicar la aparición de estrés en un cultivo. La resolución temporal está limitada por el número de veces que están programados los aviones o satélites para pasar sobre el paisaje.
La cobertura de nubes es una limitación tanto para los aviones de ala fija como para los satélites. Las nubes sobre el paisaje dan sombra a la superficie que se va a ver, cambiando las características de la luz incidente y reflejada y bloqueando una vista clara del paisaje. Por tanto, la resolución temporal también se reduce si no se pueden obtener buenas imágenes debido al mal tiempo.
(abre en una nueva ventana)Productos de teledetección disponibles comercialmente
Los tipos de productos comerciales disponibles para la teledetección varían considerablemente desde mapas de datos brutos hasta mapas que representan información específica. Por ejemplo, algunas empresas ofrecen productos que incluyen acceso en línea a imágenes sin procesar y herramientas de medición y análisis disponibles por separado. Los tamaños de imagen incluyen 1, 2, 3 y 6 millas cuadradas con resoluciones de 1, 4, 5, 10 y 15 metros, según el producto. Los tipos de imágenes incluyen infrarrojos en blanco y negro, en color y en color. La mayoría de estos productos se desarrollan a partir de datos existentes de menos de tres años. Otros productos pueden estar disponibles para una fecha futura y deben solicitarse con dos semanas de anticipación.
Algunas empresas ofrecen productos diseñados para proporcionar información específica sobre un cultivo o campo. Algunos de estos productos se basan en mediciones de reflectancia con poco o ningún procesamiento. En otros casos, los productos son estimaciones de una condición específica que se ha desarrollado aplicando fórmulas a medidas de reflectancia seleccionadas para estimar esa condición (Tabla 1).
Cuadro 1
Ejemplos de productos de teledetección disponibles comercialmente.
Productos y usos sugeridos
Brillo del
suelo Elaborar mapas de suelo o muestreo directo del suelo
Vigor o salud del cultivo
Varios usos
Cobertura de vegetación Decisiones de replantación
Contenido de clorofila
Gestión de nitrógeno
Predicción de rendimiento
Gestión general
La maleza se escapa del
manejo de la maleza
Estrés debido a
los déficits de humedad del manejo del riego del dosel
Residuos de cultivos
Evidencia de cumplimiento de las pautas de prevención de la erosión
En el Missouri Precision Agriculture Center se mantiene una lista de fuentes comerciales de datos de teledetección diseñados para la agricultura.(abre en una nueva ventana) (MPAC).
(abre en una nueva ventana)Interpretación de la imagen: Verificación terrestre y exploración dirigida
Las imágenes aéreas proporcionan una forma eficiente de monitorear el desarrollo de los cultivos, determinar la extensión de las áreas estresadas y detectar patrones debido a las prácticas de manejo en un campo. Debido a que los datos de teledetección promedian típicamente la reflectancia de un área relativamente grande que puede incluir varias plantas, la causa exacta de la variabilidad generalmente no está clara a partir de las imágenes únicamente. En la mayoría de los casos, solo la inspección manual desde el suelo puede proporcionar una explicación confiable de la variabilidad. La verificación en tierra es el acto de ir físicamente a un campo para determinar la causa de la variabilidad detectada en una imagen.
La exploración dirigida es otro beneficio de los datos de teledetección. Las imágenes impresas pueden proporcionar una guía para ubicar áreas específicas de interés dentro de un campo, pero si el campo es grande y carece de puntos de referencia internos, la exploración del campo aún puede ser un desafío en soja perforada a la altura de la cintura o en soja de 10 pies de altura. maíz. Hay software disponible que puede descargar imágenes «georreferenciadas» detectadas de forma remota en una computadora de mano. La computadora de mano equipada o conectada a un receptor GPS (sistema de posicionamiento global) portátil puede guiar los esfuerzos de exploración dirigidos.
En el área específica de interés, un fitopatólogo o agrónomo familiarizado con las técnicas de exploración puede observar las diferencias en el color de las hojas y los patrones de daño a las hojas y los tallos y tomar rápidamente una decisión informada sobre la causa probable del daño a una planta. Otros ejemplos de causas específicas de variación incluyen la población de plantas, el tamaño y el vigor de las plantas. Cuando se descartan diferencias en la fecha de siembra, la variedad, la tasa de siembra, la profundidad de siembra, las aplicaciones de herbicidas y fertilizantes, el análisis puede proceder a otros factores como las diferencias en el tipo de suelo, las propiedades físicas del suelo o el perfil del suelo y las características del drenaje. Las causas específicas de variación relacionadas con el suelo incluyen la profundidad de la capa superficial del suelo, la presencia de una cazuela de arcilla, un nivel freático encaramado, rayas de subsuelo arenoso o gravilloso, líneas de tejas o diferencias históricas en el estiércol dosis de aplicación de fertilizante o cal. Incluso si no se determina la causa de la diferencia, la información puede ser importante para futuras decisiones de gestión.
También se están desarrollando sensores montados en el tractor y en el equipo que miden la radiación electromagnética a medida que el equipo viaja a través del campo. Estos sensores en movimiento proporcionan un método alternativo para registrar las propiedades de reflectancia y ofrecen la posibilidad de realizar ajustes en tiempo real de las prácticas de gestión. Específicamente, se están utilizando radiómetros para medir el verdor del dosel en cultivos como el maíz para desarrollar un método para ajustar automáticamente las tasas de nitrógeno del revestimiento lateral durante la aplicación. Se están desarrollando sensores similares para detectar malezas para la aplicación selectiva de herbicidas y el daño de los insectos en la alfalfa para tomar decisiones sobre el manejo de plagas.
(abre en una nueva ventana)Resumen
Las tecnologías de teledetección proporcionan una herramienta importante para ayudar a la gestión de cultivos en sitios específicos. La teledetección tiene el potencial de proporcionar un análisis en tiempo real de los atributos de un cultivo en crecimiento que puede ayudar a tomar decisiones de manejo oportunas que afectan el resultado del cultivo actual. Sin embargo, al igual que otras tecnologías de agricultura de precisión, la información obtenida de la teledetección es más significativa cuando se combina con otros datos disponibles. Por esta razón, incluso las fotografías históricas pueden adquirir un nuevo valor.
La incorporación de la teledetección en sus actividades de gestión requiere disciplina y requerirá nuevas técnicas de gestión y habilidades técnicas. Para tener éxito, la teledetección debe ir acompañada de un buen programa de exploración convencional y los beneficios de las mejoras en la gestión deben superar el costo de la tecnología, así como el tiempo adicional dedicado a la gestión.