sábado, 10 de abril de 2021

DRONES COMO HERRAMIENTAS EN LA AGRICULTURA

La autora del artículo usando cámara
MicaSense en Dron
Todo un placer presentar esta entrada realizada con la colaboración de la profesora
Michele Fornari de la Universidad de Passo Fundo (Brasil); ella es la que me ha abierto la curiosidad por el uso de los drones en la agricultura y en concreto por el uso del dron en las aplicaciones de fitosanitarios en cultivos leñosos.

¿QUÉ ES UN DRON?

Popularmente se denomina drone a los Vehículos Aéreos No Tripulados (VANT o UAV en inglés) y que pueden ser manejados a distancia o incluso trazar su propia ruta guiados automáticamente por GPS.

Los inicios: Una vez más los actos bélicos, o belicosos, determinan el inicio de una tecnología. El dron se desarrolló inicialmente durante el periodo de “guerra fría”. En ese periodo se usaban aeronaves no tripuladas, equipadas con cámaras de fotos, para poder tomar instantáneas del territorio e instalaciones del otro bando.

Ala fija o rotatoria: Los primeros drones eran de “ala fija”, como “aviones”. En la actualidad se siguen utilizando estos “aviones diminutos”, sobre todo en aplicaciones militares, pero en aplicaciones "civiles" son más populares los de hélice axial.

Ala fija: Aportan la ventaja de que pueden planear, eso les confiere un menor consumo que se traduce en más autonomía, llegan a triplicar la de "ala rotatoria" y son más veloces.

Ala rotatoria: Presentan una enorme facilidad en operaciones de despegue y aterrizaje, además de su capacidad para moverse en todas las direcciones y permanecer estático en el aire o volar a velocidades muy bajas; en definitiva son mucho más maniobrables.

Dentro de ala rotatoria, el número y disposición de las hélices, define su clasificación: tricópteros, quadricópteros, hexacópteros y octacópteros.

Dron pulverizador T16 de DJI

Sistema de alimentación: Pueden incorporar motores de combustión interna, gasolina, o eléctricos con batería de ion Litio, o incluso sistemas híbridos (gasolina-eléctrico o solar-eléctrico e incluso algún modelo de gasolina-solar-eléctrico) aunque los más habituales son los eléctricos.

Diseño: Son aparatos mecánicos diseñados para tener una fácil reparación y mantenimiento. Se suelen fabricar con materiales aeroespaciales: poliestireno, composites, fibra de carbono, fibra de vidrio, kevlar…; esto significa que tendrán bajo peso y alta resistencia.

Sensores: El primer “sensor” que se incorporó en un dron fue una cámara de fotos y vídeo. Dotar de mayor capacidad óptica, zoom, a esas cámaras ha ido perfeccionando técnicas y capacidades.

A finales de los 90 se incorpora el sistema de posicionamiento GPS. En la actualidad pueden llevar multitud de sensores, en función del trabajo apra el que se destine: cámara RGB, infrarrojos, térmica, multiespectral…

Se pueden usar sensores capaces de realizar mediciones de distancia mediante eco ultrasónico o láser (alcance de luz o LiDAR) y así permitir que el dron ajuste su altitud a la topografía y obstáculos.

Cámara multiespectral: Son cámaras que se integran fácilmente en cualquier drone; capaces de capturar cinco bandas espectrales en un mismo vuelo y así generar índices de vegetación (capa NVDI para comparar reflectancia entre banda roja y banda infrarroja; o mapa de imágenes RGB para procesar imágenes)

Programando el plan de vuelo con Pix 4D Capture

LOS DRONES EN APLICACIONES AGRARIAS

El uso del dron en diferentes actividades agrícolas, ganaderas y forestales, se está convirtiendo en tan habitual que incluso encontramos estadísticas que afirman que, en algunos países como Japón, los tratamientos fitosanitarios de su superficie arrocera se hacen ya en más del 50 %. Además, el mismo dron es una herramienta polivalente. Capaz de ser usado para pulverizar o para hacer un mapeo del cultivo con cámaras multiespectrales.

Normativa española: La recoge el RD 1036/2017 y en resumen se permite el vuelo en espacio aéreo no controlado, con distancia superior a aeropuertos y aeródromos de mas de 8 km, no sobrepasando los 120 m de altura y en condiciones de visibilidad adecuadas

ADQUISICIÓN DE INFORMACIÓN: TELEDETECCIÓN

La teledetección se usa para la recogida de información que permita analizar los cultivos sin tener que estar en contacto directo con el terreno.

Volocopter John Deere

Captación de imágenes: Se debe disponer de sensores para captar diferentes longitudes de onda tanto de la luz absorbida como reflejada por las plantas. De esta forma se generan imágenes de contraste de color. La técnica tiene pocas limitaciones salvo las meteorológicas (lluvia, vientos superiores a 10 km/h, frío extremo)

Previo a la toma de imágenes se deben colocar unos paneles de referencia para medir los cambios de luz en diferentes rangos de reflectancia del rango visible y en diferentes fechas de vuelo. Lo habitual es colocar paneles, blanco, negro y gris, de unos 0.5 m2. También se toman unos puntos de control mediante GPS RTK (cinemático en tiempo real) y así poder obtener una precisión suficiente tanto en planimetría como altimetría.

Un uso habitual es la vigilancia y el conteo de ganado; incluso, siguiendo en aplicación para la ganadería, es muy útil para la vigilancia de depredadores que amenacen al rebaño (se les dota de cámaras termográficas)

Diferenciación de vigor en plantas: Uso para la denominada agricultura de precisión (AP) utilizando el drone para realizar mapeo de los cultivos, adquiriendo información (captación de imágenes con diferentes cámaras y sensores) para posterior análisis de la misma. Con diferentes cámaras fotográficas, incluso con cámaras convencionales, cámaras RGB (rojo-verde-azul) o NIR (infrarrojo cercano) se pueden tomar fotografías multiespectrales y caracterizar fenotipo de cultivos: detectar anomalías nutricionales; mapear la densidad de flores; cuantificar el volumen de copa; estudiar la arquitectura del árbol (la geometría de un olivo o de un almendro depende mucho de su geometría, es decir, de su volumen para capturar la luz…)

El sistema consiste en hacer “nubes de color” en 2D y en 3D (cuando se trata de árboles) que se pueden analizar con técnicas de fotogrametría (por ejemplo, con el software Agisoft PhotoScan de patente rusa para generar nubes de puntos 3D) y modelos digitales de superficie (MDS)

Con el Índice de Vegetación de Diferencia Normalizada, NVDI, se obtiene información muy valiosa. El índice NVDI se basa en la diferencia de radiación entre el infrarrojo cercano y la luz visible; una hoja estresada porque esté deshidratada, o una hoja muerta, reflejan de forma diferente la luz a como lo hace una hoja en buen estado puesto que no absorben igual la luz visible, reflejando el verde clorofílico, ni el infrarrojo cercano.

Análisis e interpretación de imágenes: Los sensores miden la longitud de onda de la radiación reflejada (terreno, plantas…) y posteriormente, en la oficina (por ejemplo con el software Python) se puede crear un modelo digital de superficie en el cual es posible estimar parámetro como altura; volumen de copa de un árbol o el Índice de Área Foliar (LAI)

Uno de los análisis de imágenes que ya han demostrado sobradamente su eficiencia es el denominado Análisis de Imágenes Basado en Objetos (OBIA, Object Based Image Analysis) Con este tipo de técnicas se puede extraer y clasificar muchísima información de las imágenes tomadas. El algoritmo OBIA se desarrolla con un lenguaje de programación (por ejemplo eCognition Developer) y lo que consigue es analizar grupos de píxeles adyacentes con unos valores espectrales determinados. Incluso el análisis de imágenes OBIA se aplica incluso a nubes de puntos que no han sido obtenidas por imágenes si no por rádares LiDAR o nubes de puntos fotogramétricos.

TRATAMIENTOS FITOSANITARIOS

La técnica de la fumigación aérea a través de dron está marcando tendencia en el mercado. Varios son los beneficios por usar esta técnica: optimización de los tiempos; ahorro de costes; mayor cobertura en diversos tipos de terrenos; poder ser usado en plantaciones de leñosos altos; no dañar a las plantas por pasos sucesivos de maquinaria rodada…

Yamaha Fazer 32 L

Otros usos son la siembra (arroz, pratenses, invernaderos…)  o incluso como polinizadores mecánicos, esparciendo polen en la época y condiciones metereológicas que más interese.

¡Y más usos!: Por ejemplo, en el reconocimiento de malas hierbas, un dron puede llegar a distinguir si “lo verde” que está viendo es malahierba a combatir o no. Una de los métodos utilizados para ello es el análisis de imágenes mediante OBIA, un algoritmo capaz de filtrar del “color verde” la mala hierba por parámetros como la forma.

Siembra (arroz, pratenses, invernaderos...) o como agentes polinizadores (esparciendo polen)

Algunos drones en el mercado

Volocopter John Deere: Muy comentada fue la presentación en la pasada Agritechnica de Hannover del dron pulverizador que ha desarrollado Volocopter y John Deere. Se trata de un “gigante” de 18 hélices, 9 baterías, 30 minutos de autonomía y que es capaz de cargar 200 kg de peso. El Volocopter es capaz de cubrir 9,20 m de ancho de trabajo para cubrir hasta 6 ha/h. Puede volar una ruta automáticamente o bien ser controlado de forma remota.

YMR-08 de Yamaha: Yamaha Motor, con más de 25 años de experiencia en la pulverización mediante dron, dispone de un dron, modelo Fazer, de un único rotor (helicóptero) o también modelos multirrotor como el YMR-08 también basado en un sistema multirrotor. Mientras que la empresa japonesa recomienda el tipo helicóptero para grandes superficies, en aquellas con peor acceso o problemas para un vuelo libre recomienda el YMR.

El YMR se ha fabricado con fibra de carbono, dispone de 8 rotores, peso máximo de despegue 25 kg (depósito de tratamiento de 10 L), ancho de trabajo de 4 m y con una capacidad de 4 ha/h

Preparando un dron para volar sobre viñedo

Agras MG-1S y T16: Son dos modelos de la empresa china DJI. El MG-1S dispone de 3 rádares para “leer” el terreno y ajustar la altura de forma automática. Carga 10 L de líquido y puede cubrir 4 ha/h Se colocan tres radares de microondas de alta precisión en la parte delantera

En cuanto al T16 dispone de un tanque de 16 L, ancho de trabajo 6,5 m; incorpora 8 boquillas de 4,8 L/min y, según el fabricante, puede tratar hasta 10 ha/h

Agro Hopper de Drone Hopper: La firma española dedicada a la fabricación de drones para el combate de incendios también ha lanzado un modelo para la agricultura. El principio de funcionamiento es el mismo que el desarrollado para apagar fuegos. El modelo, Agro Hopper, lleva un tanque de 60 L. Utiliza motores híbridos (térmicos de gasolina y eléctricos). Además, un sistema de descarga que es capaz de crear líquido nebulizado.

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