La forma convencional en que se maneja un cultivo es observando día a día su desarrollo. Esta estrategia, aun cuando sigue siendo utilizada y ha dado a lo largo de la historia buenos resultados, puede resultar inefectiva cuando no hay la posibilidad de desarrollarla debido a, por ejemplo, la situación en la que el domicilio y la parcela de producción se encuentran bastante distantes, o la situación en la cual quien lleva el control de la producción se aleja de la parcela por cualquier razón: salud, viajes de negocio, viajes de placer, etc., o simplemente cuando no delega la absoluta confianza en algún supervisor de producción, y requiere conocer permanentemente el estado de sus cultivos.
Ante las situaciones planteadas, existen distintas alternativas, desde el uso de la computación en la nube que permita, mediante una App, que varios usuarios autorizados puedan ver todo lo que se registra relacionado con la producción (monitoreos de plagas y enfermedades, movimientos en almacén, movimientos de maquinaria, registro de actividades), hasta el uso de la teledetección. La teledetección no es mas que la posibilidad de usar datos generados a grandes distancias del sitio en que se están dando los fenómenos que permiten la generación de ese dato. Es decir, en agricultura, se puede dar el fenómeno del crecimiento y desarrollo de un cultivo en una parcela de producción, pero el dato lo puede generar un sensor ubicado a cientos de kilómetros en un satélite, o a unos pocos metros en un dron. El sensor, en este caso, pudiera ser una cámara multiespectral que es capaz de detectar la energía que es emitida por la vegetación, por el cultivo, como consecuencia tanto de la luz solar como de la capacidad que tiene la vegetación de absorber y luego reflejar parte de esa energía. Este tipo de sensor es llamado un sensor remoto, porque detecta lo que está ocurriendo en un sitio distinto al sitio en que se está generando el fenómeno: la reflectancia de la energía se está dando en la parcela de producción y la detección de esta reflectancia se puede estar dando en un sensor ubicado sobre un satélite, a cientos de kilómetros de la parcela de producción. Esta teledetección a la que se está haciendo referencia se conoce como teledetección pasiva, pues no se tiene control sobre la fuente de energía que es el sol (Figura 1).
Figura 1. Esquema básico de lo que es la teledetección
El entendimiento de lo que son los índices de vegetación requiere, no solo entender lo que es la teledetección, sino también comprender lo que es el espectro electromagnético. El sol emite energía en forma de ondas, las cuales llegan hasta la tierra. En esa energía se pueden identificar distintas longitudes de onda, desde aquellas de longitudes muy cortas como los rayos gamma (longitudes de onda ubicadas en el rango de 10-12 metros) hasta longitudes de onda larga como las ondas de radio, estando entre ambos extremos la radiación ultravioleta, el espectro visible, los rayos infrarrojo y las microondas. El ojo humano solo es capaz de percibir las ondas que están ubicadas dentro del espectro llamado espectro visible (longitudes de onda entre 400 y 650 nm), es en este rango donde se ubican los colores (Figura 2).
Figura 2. Espectro electromagnético
Con este conocimiento, el ser humano diseñó sensores capaces de detectar por separado energía con distintas longitudes de onda, incluyendo las no visibles al ojo humano, y esto es logrado con las llamadas cámaras multiespectrales, que no son mas que sensores remotos de distintos niveles de energía, que son capaces de captar la energía reflejada por distintos cuerpos al darse el contacto entre la energía o espectro electromagnéstico, y el cuerpo en cuestión. Basado en esto, y basado en el conocimiento que se tiene que las hojas de las plantas poseen en sus células unos organelos llamados cloroplastos, especialmente en las células que conforman el llamado parénquima en empalizada, muy cerca de la superficie foliar, y que en estos se ubica un pigmento llamado clorofila, que le confiere a las hojas la propiedad de absorber grandes cantidades de la energía cuya longitud de onda corresponde con el rojo del espectro visible, y reflejar energía cuya longitud de onda corresponde con el verde del espectro visible, y también del infrarrojo (Figura 3), se han formulado distintas ecuaciones combinando la reflectancia de estas longitudes de onda, ecuaciones que genéricamente han sido llamadas índices de vegetación, los cuales pueden ser definidos como el resultado matemático de la combinación de los valores de reflectancia de distintas bandas espectrales, al incidir la energía solar sobre la superficie de la tierra, que permite maximizar el contraste entre la vegetación y el suelo o cualquier otra superficie, por tanto permite inferir biomasa, densidad, vigor y por esto pudiera permitir inferir salud de la masa vegetal, en agricultura, permitiría conocer cobertura, grado de desarrollo del cultivo, salud del cultivo, entre otros.
Figura 3. Plantas y espectro electromagnético
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A continuación, se describen los índices de vegetación más utilizados:
NDVI (Normalized Difference Vegetation Index): es el índice de diferencias normalizadas en la vegetación. Al ser un índice normalizado oscila entre -1 y 1. Se calcula de la siguiente forma:
NDVI = (NIR – Rojo) / (NIR + Rojo)
Donde NIR es la reflectancia en longitudes de onda del infrarrojo cercano (por sus siglas en inglés de near infra red), y Rojo es la reflectancia en las longitudes de onda del rojo.
Es un índice de vegetación que permite medir la biomasa fotosintéticamente activa que puede dar información contradictoria cuando se usa con poca cobertura de vegetación, en el caso agrícola, cuando se está iniciando el cultivo. Valores negativos indican presencia de cuerpos de agua, o zonas inundadas, o que el valor de reflectancia no es de la superficie terrestre, sino que es de las nubes que se ubican entre el sensor y la superficie terrestre. Valores positivos cercanos a 0 indican escasa o nula cobertura vegetal, es decir, suelos desnudos, valores cercanos a 1 indicarán una densa cobertura vegetal.
NDRE (Normalized Difference Red Edge); es el índice de diferencias normalizadas al borde del rojo. Al ser un índice normalizado oscila entre -1 y 1. Se calcula de la siguiente manera:
NDRE = (NIR – Borde Rojo) / (NIR + Borde Rojo)
Donde NIR es la reflectancia en longitudes de onda del infrarrojo cercano, y Borde Rojo es la reflectancia en las longitudes cercanas al rojo visible, en un espectro muy cercano al rojo visible pero sin llegar a él.
Es un índice de vegetación muy efectivo para coberturas densas de vegetación, en el caso agrícola, cuando el cultivo está totalmente desarrollado. Está altamente correlacionado con el contenido de clorofila, por tanto valores cercanos a 1 indican una vegetación que cubre gran parte de la superficie, con mucha clorofila, de lo cual se infiere un cultivo sano. Valores cercanos a 0 indican poca cobertura, o bajo contenido de clorofila, de lo cual puede inferirse algún problema en el cultivo.
GNDVI (Green normalized difference vegetation index): es el índice de diferencia normalizada de vegetación verde. Al ser un índice normalizado oscila entre -1 y 1. Se calcula de la siguiente manera:
GNDVI = (NIR – Verde)/(NIR + Verde)
Donde NIR es la reflectancia en longitudes de onda del infrarrojo cercano, y Verde es la reflectancia en las longitudes de onda del verde.
Es un índice de vegetación muy eficiente en la detección de tejido foliar marchito, por tanto en la agricultura es utilizado para detectar partes del lote de cultivo en las cuales hay presencia de plantas marchitas, y así inferir múltiples posibles causas como deficiencia de nitrógeno, suelos anegados, estrés hídrico, ataques de plagas y/o patógenos, etc. Adicionalmente, al ser un índice más sensible a las variaciones en clorofila de la vegetación que lo que puede ser el NDVI, es un índice que es muy recomendado utilizar cuando el NDVI se “satura”, cuando el NDVI no es capaz de diferenciar vegetación porque toda tiene valores cercanos a 1. Al igual que el NDVI, los valores negativos indican presencia de agua, y mientras el valor mas se acerque a 1 indica una mayor cobertura de la superficie con vegetación que posee altos niveles de clorofila, por lo cual se infiere que es una vegetación vigorosa, sana.
NDWI (normalized difference water index): es el índice de diferencia normalizada de agua. Al ser un índice normalizado oscila entre -1 y 1. Se calcula de la siguiente manera:
NDWI = (Verde – NIR)/(Verde + NIR)
Donde NIR es la reflectancia en longitudes de onda del infrarrojo cercano, y Verde es la reflectancia en las longitudes de onda del verde.
Es un índice que puede ser utilizado en gestión ambiental para la delimitación de cuerpos de agua, de humedales, y en agricultura puede ser utilizado para la estimación de humedad en los suelos, lo cual puede cobrar gran importancia al momento de decidir sembrar cultivos de secano (sin irrigación, aprovechando el agua de lluvia) pero mas que todo, para conocer el grado de humedad existente dentro de la planta, conocer si la planta está sometida o no a estrés hídrico.
Valores negativos, al igual que el NDVI, representan cuerpos de agua. Valores cercanos a 0 indican poca cobertura vegetal, o cobertura con estrés hídrico, mientras que valores cercanos a 1 indican una densa cobertura vegetal con suficiente humedad en sus tejidos.
NBR (normalized burn ratio): es el índice normalizado de calcinación. Al ser un índice normalizado oscila entre -1 y 1. Se calcula de la siguiente manera:
NBR = (NIR – SWIR) / (NIR + SWIR)
Donde NIR es la reflectancia en longitudes de onda del infrarrojo cercano, y SWIR es la reflectancia en las longitudes de onda corta del infrarrojo cercano.
Es un índice que puede ser utilizado para detectar zonas en las que existen incendios forestales activos o para analizar la gravedad de los daños que causa un incendio sobre la vegetación. Un valor cercano a 1 indica suelos cubiertos por vegetación sana, no quemada, valores alrededor de 0 indican suelos desnudos, con poca cobertura vegetal pero no quemada, valores cercanos a -1 indican superficies recientemente quemadas o algún incendio activo.
Esta estrategia de la teledetección, hace algunos años, podía parecer prácticamente imposible para cualquier usuario debido a los altos costos que podía tener una imagen satelital. Sin embargo, debido a las mejoras tecnológicas, y a la oferta ampliada de este servicio, los precios han disminuido notablemente, lo cual ha permitido que muchos puedan acceder a este tipo de servicios bien sea directamente de los proveedores, o a través de Apps especializadas. Por tanto, al día de hoy, no es el costo de una imagen satelital lo que impediría que cualquier productor utilice esta tecnología para contribuir en el control de sus procesos productivos. Existió otra limitación para que la agricultura adoptara esta tecnología, y era la poca frecuencia de adquisición de imágenes sobre un mismo punto, es decir, el satélite no pasaba con la frecuencia deseada sobre un mismo punto, lo cual hacía que la comparación de índices de vegetación para un mismo punto pudiera ser tan poco frecuente, que no permitía tomarlos en consideración para la toma de decisiones oportunas en el campo. Actualmente esa no es la situación, debido a mejoras en la tecnología –especialmente la formación de constelaciones de satélites (el servicio del satélite no depende de un satélite único, sino de varios satélites a la vez que crean una «red de satélites» alrededor de la tierra), este problema se ha minimizado de tal manera, que hay servicios que ofrecen imágenes diarias sobre un punto, esto sin duda alguna representa una gran ventaja. Teniendo los datos de esta imagen, se podrá conocer la reflectancia de la superficie en cada uno de los pixels que integran la imagen. Al superponer la imagen a un mapa, se podrá conocer exactamente la reflectancia de distintos puntos geográficos perfectamente conocidos. Teniendo esos valores de reflectancia, se pueden construir los distintos índices de vegetación. Es necesario destacar que por el momento no hay el suficiente conocimiento como para inferir problemas específicos en algún lote como consecuencia del valor reportado para alguno de los índices de vegetación, por el momento tan solo se puede conocer el significado espectral del valor. Es decir, un valor de GNDVI cercano a 0 puede ser determinado en una cobertura vegetal con hojas no muy verdes, quizás amarillas. El amarillamiento en las hojas puede tener múltiples causas, puede ser por estrés hídrico, puede ser por suelos inundados, puede ser por deficiencia de nitrógeno, puede ser por el ataque de un insecto, puede ser una enfermedad … en fin, por el momento no hay una librería espectral que permita conocer con toda certeza la causa agronómica de una firma espectral dada. De hecho, llegar a esto será muy complejo, y los esfuerzos que se hagan al respecto ameritarán correlaciones entre lo que se observa directamente en campo y los valores de los índices de vegetación, y este tipo de estudio deberá llevarse por cada especie cultivada, considerando sus distintas etapas fenológicas, es decir, no podrán existir conclusiones generales como decir “un valor de NDVI de 0,45 lo que indica es que hay una plaga en el cultivo” … por tal razón, el valor que actualmente puede darse en la agricultura al uso de los índices de vegetación, es el de detectar cambios en la reflectancia del cultivo de un día para otro (lo cual puede lograrse si se tienen imágenes satelitales diarias para un mismo punto), detección que ameritará dirigirse al campo para examinar qué está sucediendo y tomar las decisiones y correctivos necesarios. Es una tecnología que puede permitir tomar dichos correctivos de la manera más oportuna posible, y mantener las expectativas de rendimiento que originalmente hayan sido proyectadas.
Los índices de vegetación también pueden utilizarse por parte de organismos del Estado interesados en llevar de manera directa estadísticas agrícolas de la superficie ocupada por cada cultivo. Los índices de vegetación deben ser suficientemente distintos entre especies cultivadas, generando las llamadas firmas espectrales, las cuales permitirían definir sobre mapas qué áreas están ocupadas por cada cultivo. Indudablemente en gestión ambiental los índices de vegetación tienen gran valor, al permitir la detección prácticamente en tiempo real de incendios forestales, o de deforestación.
Ing. Agr. Hernán Laurentin (M.Sc., Ph.D.)
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