Ecología y agricultura

La estructura interna de las hojas de las plantas se ve influenciada por sus propiedades térmicas, pues estas contienen una cantidad sustancial de agua por unidad de área. Debido a este hecho, la termografía nos da la opción de analizar con precisión y en alta resolución las plantas sin tener que tener contacto directo con ellas. Sin embargo, la exactitud de la medición dependerá de las condiciones ambientales ya que influirán en las propiedades térmicas de las plantas visualizadas. Como resultado de ello, si queremos comparar los datos termográficos obtenidos en diferentes intervalos de tiempo, habrá que calibrar el sistema de medición en función de la climatología. La investigación y observación Termográfica se puede aplicar a todo tipo de producción o procedimiento agrícola en donde se genere calor, o por el contrario, se pierda ya sea en el espacio o en el tiempo. Las opciones potenciales de la utilización de la termografía en la agricultura incluyen la monitorización de viveros, la planificación y la inspección de los sistemas de riego, la detección de la salinización, de detección de patógenos y enfermedades en plantas y cultivos, hacer estimaciones de rendimiento y evaluación de la madurez de la fruta.

Los métodos tradicionales de medición de parámetros vegetativos de las plantas son fiables pero muy costosos en tiempo y mano de obra, de forma que son utilizados como muestreo y se aplican a una parte limitada de la explotación agraria o forestal. La teledetección mediante el uso de una cámara termográfica proporciona datos térmicos precisos, relacionados directamente con los parámetros vegetativos. Esto supone una ventaja importante respecto las técnicas tradicionales debido al hecho de que los datos se pueden obtener con facilidad de toda la explotación, y las mediciones se pueden repetir de forma fácil y rápida en intervalos regulares (días, semanas, meses…) dependiendo de las necesidades de crecimiento. La respuesta de las plantas ante la intensidad de la radiación (la capacidad de las plantas para irradiar, absorber y reflejar la radiación térmica) depende de las propiedades superficiales de las hojas (su orientación y la estructura superficial). Además, la cantidad de energía radiada depende también de la pigmentación de las hojas, su espesor, la estructura celular y el contenido de agua en el tejido de la hoja.

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Tractor preparando la tierra para la siembra

Las plantas de hojas verdes normalmente muestran una reflectividad y permeabilidad muy bajas en el espectro de radiación visible (0.4-0.7μm) debido a la fuerte absorción de los pigmentos fotosintéticos. Por otro lado, en el espectro infrarrojo aumenta la reflectividad por efecto de la presencia de mesófilo en las paredes celulares (cuya presencia difiere en las distintas partes de la hoja) y la poca absorción de la radiación infrarroja por los pigmentos. Por lo tanto, la estructura de las hojas es el elemento decisivo en el análisis de la radiación visible. Por otro lado, las propiedades espectrales para el infrarrojo de onda corta (longitud de onda 1.1-2.5μm) están directamente influenciadas por el contenido de agua del tejido de hojas. Por norma general la reflectividad es relativamente alta, aun cuando disminuye si el contenido de agua es menor.

Viveros

Viveros – Instalaciones en las cuales se cultivan todo tipo de plantas hasta que alcanzan el estado adecuado, definido de antemano, para poder ser replantadas o distribuidas. Las plantas pueden ser cultivadas en campos abiertos, túneles o invernaderos. La detección temprana de la calidad de la siembra es un instrumento eficaz para detectar las semillas capaces de germinar y las que no son capaces de hacerlo. Los métodos tradicionales de inspección de la viabilidad de germinación requieren mucho tiempo, son ensayos destructivos e intensivos en mano de obra. La técnica mediante el uso de termografía parece ser una posible alternativa a estos los métodos. Se constata un alto grado de correlación entre la temperatura de las semillas y su germinación. Cuanto menor sea la temperatura de las semillas, mejor es el estado en el que se encuentran y mejor van a germinar. Este hecho está probablemente relacionado con la degradación de las membranas celulares durante el envejecimiento de las semillas, ya que provoca una mayor capacidad para irradiar radiación térmica. Mediante el análisis de los cambios de temperatura es posible diferenciar no sólo los grados de calidad de las semillas, sino también la calidad del proceso de la germinación y el crecimiento de semillas y plantas en los viveros.

Inspecciones de riego

El riego es necesario para la producción agrícola, especialmente en zonas con cantidades insuficientes o irregulares de precipitación. Los estudios muestran que la intensidad de radiación térmica emitida por las plantas es muy sensible a la falta de agua. Las plantas reaccionan al estrés hídrico cerrando los poros de las hojas, lo que aumenta la temperatura y por lo tanto la radiación IR emitida por la planta.

Ataque de enfermedades en plantas

En caso de infección por patógenos de una planta el estado fisiológico del tejido cambia significativamente, siendo posible detectar cambios en los procesos fotosintéticos, la conductividad de los poros y la intensidad de transpiración o acumulación de ácido salicílico. Algunas enfermedades que provoquen un color distinto en las hojas afectadas pueden ser detectadas por métodos ópticos clásicos. Sin embargo este método es aplicable en los casos con afectación a la parte inferior de la hoja o cuando la parte atacada de la hoja no difiere en términos de color de la parte sana. El uso de técnicas de análisis mediante termografía infrarroja puede ser útil y fiable en los casos en que la enfermedad de las hojas conlleva una variación de temperatura de entre 0,5 y 1,3°C dependiendo del tipo de agente patógeno y de la extensión del ataque de la hoja.

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Hexacoptero UAV de soporte a la agricultura

Esta aplicación requiere un control preciso de la superficie de la planta, grabación de datos medidos y su posterior análisis. La utilización del equipo Workswell WIRIS embarcado en un dron permite inspeccionar un área grande, por ejemplo un campo o huerto, guardar los datos mediante imágenes radiométricas y analizarlas fácilmente mediante el software suministrado. El sistema se puede comunicar con localizador GPS, lo que ayuda de manera significativa a poder comparar los datos de una misma localidad en sucesivas inspecciones. La alta sensibilidad del detector térmico de la cámara termográfica es esencial para distinguir pequeñas diferencias de temperatura. La cámara térmica Workswell WIRIS está disponible con sensibilidad de hasta 0,03 °C, con lo que es capaz de detectar la fase inicial de infección de la hoja.

Estimación del rendimiento de cultivos

Las cámaras termográficas también son de utilidad en el ámbito de la estimación del rendimiento de cultivos, habiendo sido utilizadas con éxito en la medición de las cantidades de fruta en árboles frutales. Se ha comprobado que es posible diferenciar el fruto de la parte restante del árbol a través de la radiación térmica, ya que durante la noche la temperatura de la fruta es aproximadamente 1,6 °C mayor que la temperatura de las hojas, mientras que durante el día la temperatura difiere en menos de 0,5 ° C. Este comportamiento nos permite estimar la cantidad de fruta o predecir un rendimiento del cultivo. En el caso de los árboles individuales (por ejemplo, en los huertos experimentales de las instituciones de investigación) es posible llevar a cabo estos análisis con una cámara térmica de mano. Cuando es necesario estimar los rendimientos en plantaciones, un sistema de cámara termográfica para dron-UAV será de gran ayuda, ya que permite inspeccionar una área grande en un tiempo corto, facilita repetir los vuelos de inspección en intervalos regulares y la identificación de cada árbol a través de la información GPS asignada a cada imagen termográfica (en el caso de disponer de un receptor GPS externo conectado).
 

Evaluación de la madurez de la fruta

Normalmente, el estado de madurez de la fruta se evalúa mediante inspección visual y muestreo, siendo a menudo un ensayo destructivo. Este método es costoso en tiempo y mano de obra, teniendo en cuenta además que los resultados pueden ser relativamente subjetivos debido a la difícil repetitividad. La termografía tiene potencial para ser usada en estos casos, ya que la resistencia a la evaporación del contenido de agua de la propia fruta a través de su superficie aumenta con la edad fisiológica. En el momento de madurez de la fruta, este parámetro alcanza el valor máximo, pudiendo ser detectado mediante el empleo de cámara termográfica.

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Monitor al aire libre con protector de luz solar instalado en un soporte para el control del Drone y video streaming

Los casos expuestos anteriormente demuestran que el sistema Workswell WIRIS tiene mucho potencial para el uso en agricultura de precisión mediante inspecciones aéreas con drone-UAV. Las principales ventajas del sistema incluyen la alta sensibilidad del sensor térmico de la cámara termográfica (hasta 0,03 °C) y una resolución de hasta 640x512px. La cámara térmica está calibrada para medición de temperatura, posibilitando la máxima precisión de los valores medidos. La posibilidad de ajustar la escala de temperatura de forma manual es una gran ventaja en comparación con los productos de la competencia. De esta forma, la gama de colores no cambiará automáticamente en función del entorno y podremos conseguir representar una temperatura con el mismo color para todas las imágenes, facilitando que el usuario reconozca la temperatura de acuerdo con el color, y pudiendo comparar entre distintas imágenes.

Mediante sólo dos conmutadores de un transmisor estándar RC se puede controlar totalmente el sistema, pudiendo ajustar todas las funciones durante el vuelo. Es posible por ejemplo, ajustar la emisividad del material cuando el dron-UAV vuela sobre distintas superficies y materiales (huertas solares, obras de construcción, campos de cultivo, plantaciones, agua...). Los datos guardados (vídeos e imágenes) son totalmente radiométricos, lo que significa que además de la imagen en colores, preservan la información térmica original sobre la temperatura aparente. De esta forma, las imágenes pueden ser procesadas mediante el software suministrado, en el que podremos cambiar los ajustes de los parámetros de objeto (emisividad, temperatura reflejada, rango, escala de temperatura, etc.). Con el programa, es posible convertir las imágenes a formato .CSV para análisis mediante Matlab o Excel, y convertir un vídeo a formato .AVI.