Fotogrametría basada en drones: un método confiable y de bajo costo para estimar la biomasa vegetal

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En las últimas décadas, las tecnologías de teledetección se han convertido en herramientas vitales para los científicos que estudian los cambios en el uso de la tierra, la cubierta de hielo y la vegetación en todo el mundo.

Las imágenes satelitales, sin embargo, normalmente están disponibles en bajas resoluciones, lo que solo permite analizar las tendencias sobre áreas de gran tamaño. A la vez, los drones controlados a distancia son una alternativa cada vez más asequible para los investigadores que trabajan en ecología y agricultura con escalas más finas, pero la tecnología basada en láser utilizada para estimar la productividad de las plantas y la biomasa, como la detección de luz y el alcance (LiDAR), siguen siendo prohibitivamente costosas.

En una investigación publicada recientemente por la revista Applications in Plant Sciences, investigadores utilizaron tecnología de teledetección de bajo costo para producir índices de vegetación multiespectrales y fotomosaicos tridimensionales de la vegetación de Tallgrass praire, un ecosistema nativo del centro de Norteamérica que abarca unas 70 millones de hectáreas cuya mayor superficie está destinada a la agricultura, comparando estimaciones aéreas de biomasa con mediciones directas tomadas en el campo.

De acuerdo a sus hallazgos, la fotogrametría resulta una tecnología confiable para estimar la biomasa, la cobertura terrestre y la productividad de los ecosistemas, con varias implicaciones potenciales para el ahorro de costos en las ciencias agrícolas y biológicas.

Los investigadores llevaron a cabo la recopilación de datos de teledetección en un experimento de restauración ecosistémica en el parque público Morton Arboretum en Lisle, Illinois.

«El experimento de restauración fue diseñado para determinar si la diversidad filogenética y la diversidad funcional afectan o no los resultados de la restauración», dijo el autor principal Andrew Hipp, Director del Herbario y Sistematista de Plantas en el Morton Arboretum.

Para lograr el objetivo, Hipp y su equipo se basaron en un total de 127 especies de praderas, cada una de las cuales fue plantada como monocultivo en parcelas de 4 metros cuadrados. Estas especies también se mezclaron en varias combinaciones en parcelas multiespecie del mismo tamaño, con diversidades filogenéticas altas, medias y bajas cruzadas con diversidades de rasgos altos y bajos.

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El autor principal Lane Scher, un ecologista comunitario de la Universidad de Duke, vio el diseño del experimento como una oportunidad única para probar la precisión de las estimaciones de biomasa basadas en fotogrametría entre monocultivos y parcelas multiespecies.

Los investigadores utilizaron un dron DJI Phantom 4 equipado con una cámara estándar, así como un sensor multiespectral que les permitiría calcular varios índices de vegetación, métricas basadas en proporciones de longitudes de onda de luz que indican la salud relativa y la productividad de los ecosistemas vegetales.

Al unir cerca de 600 imágenes superpuestas, los investigadores crearon un conjunto de mosaicos del lote en estudio, lo que les permitió calcular la altura de la vegetación en cada parcela. Mediante la extrapolación, entonces fueron capaces de estimar la biomasa total de las especies.

Las comparaciones analíticas realizadas entre las mediciones aéreas y de campo indican que las estimaciones de biomasa derivadas de la fotogrametría explicaron hasta el 47% de la variación de la biomasa para las parcelas multiespecie, un resultado bastante significativo que muestra la promesa de este método.

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«De las métricas que usamos, el volumen fue el mejor predictor de productividad, lo cual es una gran noticia, porque también es el menos costoso de medir», dijo Scher. Aunque los investigadores utilizaron un sensor multiespectral para obtener imágenes para diferentes longitudes de onda de luz para calcular los índices de vegetación, sus resultados sugieren que una cámara RGB simple es todo lo que se necesita para estimar de forma confiable la biomasa.

Sin embargo, estos métodos podrían no ser tan aplicables a los monocultivos. El poder explicativo de su modelo, que representó el 47% de la variación en las parcelas multiespecie, cayó al 34% en monocultivos, una tendencia que no fue del todo inesperada por el equipo.

«En los monocultivos, normalmente solo tienes una capa de vegetación», dijo Scher. Las plantas de la misma especie y variedad suelen tener la misma forma de crecimiento, con el resultado de que la mayoría de las hojas compiten por el espacio en una sola capa abarrotada.

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«En las parcelas multiespecie, sin embargo, la vegetación puede ser más uniforme espaciada verticalmente», dijo Scher. Dado que la fotogrametría 3D calcula el volumen como todo entre la superficie del suelo y la capa superior de la vegetación, las parcelas con plantas distribuidas uniformemente en altura probablemente darán las estimaciones más precisas.

Si bien las comparaciones futuras con mediciones liDAR similares serán útiles para mejorar aún más la precisión de la fotogrametría para la estimación de la biomasa, el presente estudio describe un método simple, rápido y asequible para evaluar de forma fiable la productividad de la vegetación a resoluciones a gran escala en grandes áreas de estudio.

 
 
 
 
 

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