Uso de imágenes de muy alta resolución en la gestión forestal

Uso de imágenes de muy alta
resolución en la gestión forestal. La
teledetección aplicada a la detección
temprana de plagas y enfermedades
mediante UAV’s/Drones
Aurelio García
Grupo Tecopy
19 de Junio de 2014
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INDICE
• Principios de Teledetección
• Componentes del sistema
• Aplicabilidad al sector forestal
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Principios de Teledetección
La teledetección es la ciencia y arte de obtener
información de la superficie terrestre sin entrar
en contacto con ella. Esto se realiza detectando y
grabando la energía emitida por la superficie
terrestre (sistema pasivo).
La información es capturada por las plataformas
que en un momento determinado sobrevuelan la
superficie terrestre.
Tipos de plataformas:
• Satélites
• Plataformas aéreas tripuladas.
• Plataformas aéreas no tripuladas (UAV o
Drones)
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Principios de Teledetección
Los usos dados a la información y la explotación
hecha de la misma depende principalmente de los
sensores (no tanto de la plataforma de
adquisición)
Los sensores o “cámaras” que lleven instalados
permitirán tomar una u otra información, y de la
información tomada dependerán las posibles
aplicaciones que le podamos dar:
• Sensores ópticos (RGB)
• Sensores multiespectrales (diversas bandas)
• Hiperespectrales
• Térmicos
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Principios de Teledetección
Las imágenes más comunes y más empleadas en la actualidad en materia de gestión
forestal son las imágenes multibanda.
Estas imágenes se caracterizan por poseer distintas bandas, cada una de ellas
representando una porción del espectro electromagnético.
Realizar combinaciones de bandas ayudará a detectar aspectos de la
vegetación que de otro modo pasarían desapercibidos.
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Componentes del sistema
Como input básico destacan la información adquirida (generalmente en forma de
imágenes).
Podemos distinguir entre:
• Imágenes de baja resolución.
• Imágenes de alta resolución.
• Imágenes de muy alta resolución (VHR).
Para aplicaciones de gestión forestal y
detección
de
plagas
o
problemas
fitosanitarios
se
recomienda
emplear
imágenes VHR.
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Componentes del sistema
 Satélites
Los satélites que permiten adquirir
imágenes VHR no son muchos, en la
actualidad se dispone de WV-1, WV2, QuickBird, Geoeye, Ikonos…
Entre ellos destaca, por su resolución
espacial y espectral WV-2.
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Componentes del sistema
 Plataformas aéreas
Las imágenes aéreas podrán ser
tomadas desde vehículos aéreos
tripulados
o
no
tripulados
(UAV/Drones).
Estos últimos, presentan una enorme
ventaja competitiva con respecto a
otras técnicas de adquisición pasivas,
y es que la versatilidad en la altura
de vuelo de la toma permite
alcanzar resoluciones de 3cm/pixel
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Componentes del sistema
 Sensores
Los UAV’s pueden ir equipados con
diferentes sensores, cada uno de los
cuales permitirá obtener unas
soluciones y productos diferentes.
Tipos
de
sensores:
térmicos,
multiespectrales, hiperespectrales,
ópticos…
Sensor Multiespectral e Hiperespectral:
Toma imágenes que abarcan un número
definido o ilimitado de información en el
rango espectral. Estos sensores están
indicados para: estudios de vegetación,
determinación de tipologías geológicas…
Sensores Ópticos:
Permite la toma de imágenes y video
en color natural (RGB) para realizar
video
vigilancias
o
generar
ortoimágenes aéreas.
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Componentes del sistema
 Sensores
Sensores Térmicos:
El uso de un sensor térmico
miniaturizado instalado en un UAV
permite identificar puntos de calor
lo que es de gran utilidad a la hora
de detectar plagas o problemas
fitosanitarios.
En muchos casos la respuesta de la
vegetación ante una agresión externa
como un enfermedad o ante situaciones
de estrés hídrico es incrementar su
temperatura.
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Componentes del sistema
Parámetros que condicionan la elección de un sensor:
Resolución espacial:
Hace referencia a la dimensión de la parcela más pequeña que el sensor es
capaz de captar de la superficie de la Tierra. Los UAV´s o drones son los que
ofrecen una mejor resolución.
Resolución espectral:
Se refiere al número de bandas de que está dotado el sensor. El espectro
electromagnético aporta información sobre diversas características de la
superficie terrestre en función del rango de longitudes de onda que se
considere.
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Componentes del sistema
Parámetros que condicionan la elección de un sensor:
Resolución temporal:
Se refiere a la periodicidad con la que los distintos sensores realizan
sistemáticamente observaciones de un mismo punto de la Tierra. Las
plataformas que presentan mayores limitaciones son los satélites.
Resolución radiométrica o rango dinámico:
Determina la capacidad que tiene el sensor de captar la energía
electromagnética procedente de la Tierra, es decir, su sensibilidad.
En materia de gestión forestal, se recomienda tomar imágenes
desde vehículos no tripulados, ya que la resolución que ofrecen
permite adquirir pixeles puros de vegetación.
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Componentes del sistema
Funcionamiento del sistema
PROCESAMIENTO
PUNTOS DE
CONTROL
PRODUCTOS
1. Fotografías
2. Nube de puntos
3. Malla texturizada
4.Ortofotomapa
5. DEM
6. Curvas de nivel
7. Sectorización de
cultivos
VUELO
1. Materialización
2. Posicionamiento
3. Nivelación
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Componentes del sistema
Funcionamiento del sistema
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Aplicabilidad al sector forestal
Las masas forestales se ven sometidas a una serie
de factores de tipo físico, químico y biológico
que ponen en peligro su estabilidad y
conservación a lo largo del tiempo.
Entre los peligros que es necesario caracterizar
con el fin de asegurar una gestión forestal
sostenible en el tiempo se encuentran:
•
•
•
•
Deforestación
Incendios
forestales
capacidad de recuperación
Estabilidad de laderas
Erosión y degradación
suelos
•
y
de •
•
Prácticas
agrícolas
(ej.
quemado de rastrojos) y sus
efectos sobre los sistemas
forestales
Variación de la diversidad
biológica
Estado fitosanitario
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Aplicabilidad al sector forestal
Detección temprana de plagas y enfermedades
La aplicación de un método de detección rápido y eficaz es la clave para una
detección temprana y evitar un rápido contagio, sobre todo con los
problemas fitosanitarios que actúan muy rápidamente y su expansión por el
resto de la plantación o la masa forestal puede producirse de un mes a otro.
Según la parte de la planta que afecte se podrán emplear unas técnicas de
teledetección u otras:
• Alteración en el proceso fotosintético.
• Alteraciones fisiológicas.
• Clorosis o disminución del vigor vegetativo
• Aparición de signos visuales de plaga o enfermedad.
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Aplicabilidad al sector forestal
Detección temprana
enfermedades
•
•
•
de
plagas
y
Alteraciones en el proceso fotosintético
suelen ir seguidas de un cierre de
estomas y aumento de la temperatura
de la planta.
En ocasiones, la propia aparición de la
plaga provoca una reacción fisiológica
de rechazo reflejada en un aumento de
la temperatura.
El uso de sensores térmicos facilita la
detección temprana de este tipo de
problemáticas, así como su monitoreo
Detección de problemas fitosanitarios invisibles
al ojo humano y seguimiento de su evolución
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Aplicabilidad al sector forestal
Detección temprana de plagas y enfermedades
•
•
•
Los efectos sobre las zonas verdes de las plantas
provocan una disminución en la clorofila, el vigor
vegetativo, verdor.. que es detectable de forma
temprana (cuando aún no es un problema
extendido en la plantación) mediante la
elaboración de índices de vegetación.
Por su parte las afecciones al sistema radicular
tienen similares consecuencias y pueden ser
detectadas mediante índices de vegetación.
Los sensores idóneos son los que generan bandas
espectrales (multi o hiperespectral) aunque el
térmico puede servir de herramienta de apoyo.
Es posible combinar varios sensores sobre una misma
plataforma para obtener una información más completa sobre
el estado de la vegetación
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Aplicabilidad al sector forestal
Detección temprana
plagas y enfermedades
•
•
de
imagen obtenida a partir
de un vuelo multiespectral
de 6 canales en una zona
en la que había una
afección de un hongo que
terminaba matando a los
árboles.
Más claro  epicentro de
la propagación de la
enfermedad.
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Aplicabilidad al sector forestal
Detección temprana de plagas y enfermedades
•
•
Además de visualmente, se puede distinguir el estado fitosanitario por la
respuesta espectral de la vegetación.
Clasificación automática  mapas de dispersión de la enfermedad.
Árbol enfermo
Árbol sano
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Aplicabilidad al sector forestal
Detección
temprana
enfermedades
de
plagas
y
Un índice de vegetación es un parámetro
calculado a partir de los valores de la efectividad
a distintas longitudes de onda y que pretende
extraer de los mismos la información
relacionada con la vegetación minimizando la
influencia de perturbaciones como las debidas al
suelo y a las condiciones atmosféricas.
Estos índices se emplean principalmente para
mejorar la discriminación de las cubiertas
vegetales y estimar algunas de sus variables
biofísicas.
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Aplicabilidad al sector forestal
Detección temprana de plagas y enfermedades
Los índices de vegetación usados comúnmente en la
detección de problemas fitosanitarios son:
NDVI  es usado para estimar la cantidad, calidad y
desarrollo de la vegetación.
LAI (Leaf Area Index)  es una variable relacionada con
la parte superior de las plantas y árboles con ramaje.
Define la zona de vegetación que interactúa con la
radiación solar, y representa el tamaño de la interfaz para
el intercambio de energía entre el ramaje y la atmósfera.
CWSI  Índices de estrés hídrico
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Aplicabilidad al sector forestal
Detección temprana de plagas y enfermedades
Un ejemplo claro es la detección de la plaga de Goniptero sobre los
eucaliptos, cuya incidencia y virulencia ha llegado á generar notas en prensa.
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Aplicabilidad al sector forestal
Detección temprana de plagas y enfermedades
Para un sector en el que el Eucalipto es el segundo material forestal más
importante…
La afección de esta plaga genera pérdidas por valor de 60 M de €,
sólo en Galicia.
Con un seguimiento de la evolución de los índices de vegetación en las
plantaciones se podrían cartografiar las zonas afectadas y dar una
estimación más adecuada del grado de ataque, que la que ofrecen
métodos actuales.
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Aplicabilidad al sector forestal
Detección temprana de plagas y enfermedades
Los principales efectos son:
• Defoliación de los brotes jóvenes durante la fase
larvaria.
• Durante fase adulta se alimenta de hojas y
tallos.
La metodología de detección de esta plaga se base
en la localización de esas zonas de perdida de
verdor o de cobertura foliar, para localizar los focos
de la enfermedad y atajarlos de forma temprana.
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Aplicabilidad al sector forestal
Detección temprana de plagas y
enfermedades
En ocasiones, el efecto más destacable
sobre la vegetación, es la aparición de
signos visuales reveladores de la
existencia de una plaga.
En estos casos, como complemento a
otros métodos, o cuando no existen
mejores técnicas, las imágenes VHR
(4cm/px)
permiten
identificar
visualmente pies afectados.
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Aplicabilidad al sector forestal
Estrés hídrico
Mosaico de imágenes térmicas:
- Zonas claras: mayor temperatura
- Zonas oscuras: menor temperatura
Sensibilidad de 0,05ºC
Estrés hídrico:
Rojo: zonas de mayor estrés hídrico.
Azul: zonas con menor estrés hídrico.
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Aplicabilidad al sector forestal
Estrés hídrico
Según el nivel de procesamiento es posible
ofrecer tres productos:
 Mapas térmicos
 Mapas de índices normalizados
 Mapas de dosis de riego.
Este producto permite monitorizar el estrés
hídrico y su evolución.
Permite
identificar
las
zonas
más
estresadas y las menos estresadas, lo cual
sirve de apoyo en las labores de gestión
El control puede complementarse
con el uso de sensores
distribuidos dentro de la parcela.
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Aplicabilidad al sector forestal
Otras aplicaciones:
Las imágenes de muy alta resolución
junto con las técnicas de teledetección,
clasificación automática de imágenes y
fotointerpretación permiten:
• Cartografía de vegetación.
• Valoración de la calidad forestal.
• Cuantificación y cartografiado de
daños por incendios, plagas…
• Monitorización de la producción y el
estado
vegetativo
de
las
plantaciones…
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Experiencias destacables
Monitorización de cultivos con imágenes VHR
Grupo Tecopy posee experiencia en la adquisición, corrección y manipulación
de imágenes de alta resolución.
Algunos de los proyectos destacables en materia de Teledetección se centran
en el estudio de diversas parcelas de viñedo.
El objetivo del proyecto es el de estudio de
las variables fisiológicas y fenológicas de las
plantas
a
través
de
técnicas
de
Teledetección.
Lo que permite generar productos finales de
alto valor y que sirvan de apoyo en los
procesos de toma de decisiones.
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Principios de Teledetección
Mediante la adquisición y procesado de
imágenes de satélite multiespectrales,
Grupo Tecopy es capaz de elaborar
productos con un alto valor añadido e
innumerables aplicaciones en materia de
medioambiente, biodiversidad, conservación
de los recursos naturales…
Algunos de los productos generados son:
• Valoración de la calidad de agua
mediante teledetección.
• Estudio de índices de vegetación.
• Valoración de parámetros ambientales
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Muchas gracias por su atención
Aurelio García Rochera
Grupo Tecopy
[email protected]
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