Procedimiento para la discriminación y mapeo de los rodales de nerdo en cultivos de girasol mediante teledetección.

Procedimiento para mapear zonas infestadas de la mala hierba conocida como nerdo (Ridolfia segetum Moris) en plantaciones de girasol mediante teledetección. Tiene aplicación en Agricultura, y más concretamente en Empresas de Asistencia Técnica Agraria o Medioambiental, o en Auditorias Agroambientales Públicas o Privadas.

Principalmente consiste en el análisis de imágenes digitales tomadas unas 8-12 semanas después de la siembra del cultivo, cuando las plantas de girasol se encuentran con el capítulo abierto (brácteas amarillas), y las plantas de nerdo sobrepasan la altura del cultivo y se encuentran en estado fenológico de umbelas abiertas de color amarillento. Las imágenes se procesan como sigue: a) transformación mediante alguno de los índices de vegetación seleccionados; b) conformación de zonas clasificadas como infestadas y no infestadas mediante la implementación de niveles digitales frontera predeterminados; c) mapeo de la parcela agrícola en micro-parcelas, de unos 20 x 20 m; d) estimación de la superficie infestada y la toma de decisiones sobre aplicaciones o no de herbicidas en cada micro-parcela.

Este procedimiento es una herramienta de precisión con tres objetivos: 1) aplicación de fitosanitarios herbicidas sólo en las zonas infestadas de nerdo; 2) conseguir el beneficio económico y medioambiental inherente a dicha reducción de fitosanitarios; y 3) determinar el derecho o no a la percepción de subvenciones de las administraciones públicas relativas a determinadas medidas agro-medioambientales

Procedimiento para la discriminación y mapeo de los rodales de nerdo en cultivos de girasol mediante teledetección.

Sector de la técnica

Primer sector: Agricultura. Segundo sector Empresas de asistencia técnica agraria o medioambiental, o bien Auditorías agroambientales públicas (Administraciones públicas) O Privadas. El segundo sector se refiere al seguimiento de los productores agrícolas que utilicen tecnologías de control de malas hierbas mediante aplicaciones de herbicidas específicos y selectivos en el cultivo de girasol, con objeto de alcanzar los beneficios económicos y medioambientales propios de la agricultura de precisión, tales como la aplicación de los herbicidas no de forma extensiva y uniforme en toda la superficie de parcela agrícola, sino solo sobre las zonas infestadas de nerdo, cuya delimitación y mapeo geográfico, objeto de esta patente, se ha efectuado previamente. El procedimiento objeto de la presente invención permitirá que determinadas empresas, como por ejemplo las de asistencia técnica agraria o medioambiental o los servicios de auditorias agroambientales de las Administraciones Públicas o de entidades privadas, discriminen la existencia o no de los rodales de nerdo en los cultivos de girasol de años anteriores, así como la extensión relativa o porcentaje de los mismos, estimando el ahorro económico potencial en el tratamiento herbicida y pudiendo ser usado para certificar que el control herbicida se ha llevado a cabo/se puede llevar a cabo de forma selectiva y dirigida, lo que puede llegar a ser un requisito necesario para obtener el derecho de recepción de determinadas ayudas/subvenciones agro-ambientales.

Estado de la técnica

- Discriminación y clasificación de usos de suelo agrícola y de diversas especies vegetales mediante teledetección

La teledetección es una tecnología que consiste en captar información de los objetos o accidentes que ocurren en la superficie terrestre o en la atmósfera sin entrar en contacto físico con ellos. Comprende la medida y el registro de la energía electromagnética reflejada o emitida por éstos, y conlleva la interpretación y relación de esta información con la naturaleza y propiedades de éstos. La captura de la energía reflejada se lleva a cabo mediante sensores remotos instalados en plataformas aerospaciales (satélites y aviones) que registran la energía reflejada correspondiente a diversas frecuencias del espectro electromagnético que van desde las ondas de radio de baja frecuencia pasando por el espectro visible (bandas azul, verde y roja) hasta los rayos X, gamma e incluso cósmicos. Cada cuerpo o cubierta terrestre presenta una forma peculiar de reflejar o emitir energía que se conoce como signatura o firma espectral (Chuvieco, 2002).

En las investigaciones de teledetección es esencial conocer el comportamiento o signatura espectral de cada una de las diversas superficies o usos de suelo a las diferentes longitudes de onda. La energía reflejada a las longitudes de onda roja e infrarroja es sensible a las variaciones existentes en el cultivo y suelo (Cloutis et al., 1996). Cultivos densos y sanos se caracterizan por una elevada absorción de energía/radiación roja y una alta reflectancia de la radiación infrarroja. Con frecuencia es conveniente combinar estas medidas (y otras en otras bandas) en un solo índice que resalte la sensibilidad a las variaciones en el cultivo. Dichas combinaciones son conocidas como índices de vegetación. Hay un gran número de ellos, tantos como operaciones matemáticas se estime oportuno definir. Sus ventajas son: 1) aumentar las diferencias relativas entre los valores digitales que caracterizan cada uso de suelo, 2) reducir el número de datos obtenidos a un solo valor característico, 3) obtener valores adimensionales que permiten su comparación espacial y temporal y, 4) en ocasiones, eliminar efectos indeseados de iluminación, orografía, etc. (Jackson y Huete, 1991). Uno de los más conocidos es el NDVI ("Normalised Difference Vegetation Index"). Una actividad fotosintética alta, es decir una vegetación sana y vigorosa, implica un alto valor de NDVI debido a una alta reflectividad en la banda del infrarrojo cercano y una alta absorción de energía en la banda roja. Por tanto, NVDI, calculado con medidas en tierra (Kanemasu 1990), imágenes de satélite (Anderson et al., 1993) o fotografías áreas (Denison et al., 1996) presenta una alta correlación con la producción final del cultivo.

Los usos de suelo hacen referencia a las clases que se definen según las características de las unidades del terreno que componen una imagen aérea. Se definen en base a distintos criterios según el objetivo de la clasificación, como por ejemplo, la actividad humana que se desarrolla en el terreno de estudio (usos de suelo industrial, agrario, residencial, rural, etc.), o las características físicas del suelo (agua, nieve, vegetación, suelo desnudo, etc.), o las subclases presentes en alguno de estos suelos (tipo de mala hierba, tipo de cultivo, suelo sin vegetación, pozo, etc.), y otros muchos tipos de clasificaciones.

Los trabajos sobre clasificación de los usos de suelo mediante imágenes satélite de resolución espacial media/alta o imágenes aéreas utilizando índices de vegetación se pueden considerar como clásicos en teledetección y se han llevado a cabo en áreas muy diversas: costeras, parques naturales, masas forestales, zonas agrícolas, entre otras muchas. Citando trabajos recientes, se han realizado estudios con objeto de detectar de forma sistemática las anomalías en el desarrollo de los cultivos de regadío en Aragón (López-Lozano y Casterad, 2003), con el fin de monitorizar el crecimiento de cultivos con datos biofísicos como altura de la planta, el área foliar (LAI) y biomasa (Calera et al., 2001; 2002), o con el objetivo de estimar el efecto a largo plazo de los cambios en los usos de suelo sobre la evapotranspiración de los cultivos utilizando imágenes Landsat 5 TM y Landsat 7 ETM+ de 1982 a 2000 (Lanjeri et al., 2001; 2002) en la zona de Castilla- La Mancha. También se están obteniendo resultados en la teledetección de otras especies de malas hierbas en cultivos con sensores aerotransportados multiespectrales (Goel et al., 2002; Schmidt & Skidmore, 2003; Koger et al. 2004; Smith & Blackshaw, 2003; Girma et al. 2005; Felton et al. (2002), Radhakrishnan et al. (2002) y Thorp y Tian (2004). Para llevar a cabo dicha discriminación es necesario que existan diferencias en las firmas espectrales entre el cultivo y las especies de malezas en determinados momentos del ciclo fenológico (Everitt et al. 1994; Everitt and Deloach 1990; Lass and Callihan 1997). Así mismo, diversos autores afirman que la teledetección es la técnica mas apropiada para el mapeo de las infestaciones de malezas (Rew and Cousens 2000).

- Discriminación, clasificación y mapeo de rodales de nerdo en cultivos de girasol mediante teledetección: hechos esenciales que justifican esta patente

-- Importancia del girasol y de la mala hierba nerdo

El cultivo de girasol (Helianthus annuus L.) es muy importante en España y, particularmente, en Andalucía. Así, la superficie anual cultivada en España durante el año 2004 fue de unas 750.000 hectáreas, y en Andalucía, de 297.000 hectáreas (Anónimo, 2004). Por su parte, mediante prospecciones de campo se ha estimado que aproximadamente el 10% de dicha superficie puede estar infestada por la mala hierba Ridolfia segetum Moris (nombre vulgar nerdo), siendo, por tanto, una infestación muy frecuente en el cultivo de girasol (Carranza-Cañadas, 1993).

Por otro lado, de no controlarse las malas hierbas, los cultivos decrecen considerablemente su desarrollo y producción final. De ahí que la aplicación de fitosanitarios herbicidas haya llegado a ser desde hace décadas una práctica importante y muy frecuente en la agricultura moderna. Más aún, determinadas especies de malas hierbas tales como el nerdo en girasol requieren para su control la aplicación de herbicidas muy específicos, cuyo coste suele ser más elevado que otros de amplio espectro.

-- Aplicaciones de fitosanitarios convencionales y de precisión

La distribución geográfica espacial de muchas malas hierbas en cualquier finca o parcela agrícola ocurre en rodales. Lo anterior se observa visualmente en los campos de cultivo y está bien documentado en la literatura científica (Wallinga et al. 1998; Zanin et al. 1998; Jurado-Expósito et al. 2003). Además, las infestaciones de algunas malas hierbas son relativamente...

1. Procedimiento para la discriminación y mapeo de los rodales de las infestaciones de nerdo en cultivos de girasol mediante teledetección que comprende las siguientes etapas:

a) toma de la imagen aérea de tipo color convencional y/o infrarrojo color, analógicas o digitales, digitalización de las analógicas, y análisis de imagen,

b) georreferenciación mediante GPS diferencial de puntos de control para asignar las coordenadas a las imágenes aéreas, y de puntos de muestreo de rodales de nerdo y zonas de girasol sin infestación para la clasificación de la imagen y su posterior validación.

c) separación de las bandas que componen el espectro visible (azul: A, verde: V y rojo: R) e infrarrojo cercano (NIR) a partir de la imagen original y obtención de los valores digitales que caracterizan cada píxel,

d) cálculo de índices de vegetación basados en las bandas separadas en el apartado c)

e) definición de los niveles digitales frontera que caracterizan los rodales de mala hierba, mediante determinación de los valores medios y desviación estándar de los niveles digitales de los puntos de muestreo obtenidos en el apartado b), O clasificación de la imagen por separación de clases, basada en los niveles digitales frontera definidos en el apartado e),

g) Aplicación de un filtro digital de 3 x 3 de paso bajo o de mediana a la imagen obtenida en el apartado f)

h) selección de índices de vegetación mediante la determinación de la exactitud global de la clasificación y de la exactitud particular de los rodales de nerdo, según el método de la matriz de confusión, usando como verdad terreno los píxeles de validación obtenidos en el apartado b).

i) Ajuste de los niveles digitales frontera según los resultados del apartado h), con el objetivo de optimizar la discriminación de las infestaciones.

j) localización geográfica de los rodales de mala hierba, determinación de la superficie a tratar y el porcentaje de reducción en la aplicación del tratamiento.

k) Subdivisión de las parcelas en microparcelas en función de la anchura de tratamiento (por ejemplo 20-25 m de lado)

l) Determinación de la superficie total y el porcentaje de cada uno de los usos de suelo a nivel global y por microparcela

caracterizado porque las imágenes aéreas se toman entre 8 y 12 semanas después de la siembra del cultivo, preferentemente entre 10 y 11 semanas después de la siembra del cultivo.

2. Procedimiento para la discriminación y mapeo de los rodales de las infestaciones de nerdo según la reivindicación 1 caracterizado porque la imagen aérea es una imagen de satélite.

3. Procedimiento para la discriminación y mapeo de los rodales de las infestaciones de nerdo según la reivindicación 1 caracterizado porque la imagen aérea es una fotografía aérea o una imagen digital aerotransportada.

4. Procedimiento para la discriminación y mapeo de los rodales de las infestaciones de nerdo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque la exactitud global o precisión en la clasificación proporcionada es al menos de un 85%.

5. Procedimiento para la discriminación y mapeo de los rodales de las infestaciones de nerdo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque los índices de vegetación utilizados son NDVI, RVI, VNVI, RB y ANVI, y preferentemente el índice de vegetación R/B (Rojo/Azul).

6. Procedimiento para la discriminación y mapeo de los rodales de las infestaciones de nerdo según la reivindicación 1, caracterizado porque la imagen aérea se adquiere cuando el girasol se encuentra en su estado fenológico de capítulos abiertos con brácteas amarillas, y el nerdo en su estado fenológico de umbelas abiertas amarillentas.

7. Procedimiento para la discriminación y mapeo de los rodales de las infestaciones de nerdo según la reivindicación 6, caracterizado porque las imágenes aéreas se toman en la segunda quincena del mes de junio para las condiciones climáticas Andalucía occidental.

8. Utilización de un procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, para discriminar los siguientes usos de suelo: zonas infestadas con rodales de la mala hierba nerdo y zonas de girasol libres de infestaciones.

9. Utilización de un procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7 para cuantificar el porcentaje de superficie ocupada por los rodales de las infestaciones de la mala hierba nerdo y por el cultivo de girasol no infestado de malas hierbas.

10. Utilización de un procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7 para diseñar e implementar un programa de agricultura de precisión relativo a la aplicación de fitosanitarios herbicidas en el cultivo de girasol.

11. Utilización de un procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7 para programar la aplicación de herbicidas sólo en los rodales infestados de nerdo (discriminados previamente), de manera selectiva, dirigida, controlada, y respetuosa con el medio ambiente.

12. Utilización de un procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7 para comprobar la realización de buenas prácticas agrícolas en relación a la aplicación de herbicidas en el cultivo de girasol.

13. Utilización de un procedimiento según las reivindicaciones 1 a 7 para el seguimiento de la utilización de tecnologías de control de la mala hierba nerdo mediante la aplicación de herbicidas específicos y selectivos en el cultivo de girasol.

14. Utilización de un procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7 para determinar el derecho de percepción de subvenciones de las administraciones públicas relativas a determinadas medidas agro-ambientales (reducción en el uso de herbicidas, producción integrada, etc).