Sistema para determinar la exposición solar potencial de las hojas de un árbol.

Sistema para determinar la exposición solar potencial de las hojas de un árbol.

El invento que se propone es un método que en la actualidad permite, con una sola pulsación en un dispositivo, determinar la posición de cada hoja y obtener el cálculo del porcentaje de superficie de la hoja expuesta al sol.

Se pueden predecir exposiciones para distintas horas del día, latitudes y momentos del año.

Esta invención resulta una alternativa más económica que combina la portabilidad y la autonomía de métodos anteriores con la precisión de la tecnología digital. Además se obtienen datos precisos de miles de hojas en muy poco tiempo, que constituirán una muestra representativa del conjunto de la copa de un árbol adulto.

Sistema para determinar la exposición solar potencial de las hojas de un árbol

SECTOR DE LA TÉCNICA

La invención se encuadra en el sector agroforestal, más concretamente en el de la agrimensura y de la investigación.

ESTADO DE LA TÉCNICA

Las técnicas disponibles para determinar el área expuesta al sol de una hoja se limitan a técnicas manuales: la medida de la superficie de la hoja con un calibre, la pendiente con un clinómetro y su orientación con la brújula. Su precisión es muy baja, están sujetas a los errores durante el largo y rutinario proceso de toma de datos y además sólo permiten tomar un reducido número de datos por dia, lo cual limrta la capacidad de extrapolar los resultados obtenidos a partir de un reducido tamaño muestral al conjunto del elevadisimo número de hojas que conforman la copa del árbol.

La alternativa es utilizar técnicas más precisas como escáneres láser o digitalizadores. Sin embargo, aunque la medida en estos casos no es tan tediosa y es mucho más precisa, su aplicación se ve severamente limitada.

En el caso de escáneres láser terrestres 3D, diseñados para levantamientos topográficos por su escasa portabilidad y autonomia, su resolución permite individualizar las hojas pero no en condiciones de campo o difícilmente. El proceso de escaneado se ve seriamente influido por el movimiento del objeto a escanear y en el caso de las hojas una ligera brisa las mueve, haciendo que, o bien salgan repeticiones de la hojas, o bien, que no salgan escaneadas.

Para el caso de digitalizadores 3D la limitación viene de la dependencia de

sensores fijos y de una fuente de alimentación voluminosa y pesada.

Por otro lado los modelos matemáticos conocidos en la actualidad sólo

permiten simulaciones puntuales de la trayectoria solar y la exposición foliar.

Para evaluar la actividad de un elevado número de hojas en la copa de un árbol se plantea el problema de superar el nivel de análisis de órgano (hoja) para escalar al nivel de individuo (c:opa de un árbol real) . El tiempo resulta un factor limitante a la hora de abarcar un número elevado de réplicas debido a la laboriosidad de los métodos tradicionales.

La metodología planteada tiene como objeto calcular el porcentaje de área de la hoja vista por el sol -Silhouette Area of Leaf blade (SAL) -en un momento determinado mientras que otras patentes relacionadas se centran en otras variables de la vegetación: el índice de superficie foliar -Lea' Area Index

(LAI) -en la patente JP2007171033; el índice de reflexión fotoquímica -Photochemical Reflectance Index (PRI) -y el índice normalizado de diferencias de vegetación -Normalized Difference Vegetation Index (NOVI) en la patente W02009136210 y a una escala mayor que la del individuo.

Para el cálculo de esta variable se, obtienen medidas de los ángulos foliares de manera directa mediante el dispositivo y posteriormente se procede al cálculo de SAL a través de una ecuación trigonométrica (Granado-Yela, C. et al. Plant Cell and Environment, 34 (!j) :800-10)

La invención supone una toma de datos manual mediante un dispositivo inalámbrico mientras que otras invlenciones recurren a técnicas de detección remotas montadas sobre un vehículo (avión, satélite, automóvil) o una plataforma, como en W02009136210 o en OE102005030451. Estas patentes se sirven de pulsos LASER para estimar la distribución de ángulos en el dosel

arbóreo mientras que la invención planteada utiliza sensores piezoeléctricos

in situ.

La metodología aporta información a nivel de hoja extrapolable a nivel

individuo y es complementaria a la medición de variables ambientales mediante otras técnicas (fotografí a hemisférica) como las que presenta la patente JP2007171 033.

El invento que se propone es el único método que en la actualidad pennite, con una sola pulsación en un dispositivo, detenninar la posición de cada hoja y, en consecuencia, obtener datos precisos de miles de hojas en muy poco tiempo, que constituirán una población de hojas suficientemente representativa del conjunto de la copa de un árbol adulto.

La invención resulta una alternativa más económica que las anteriores y

combina la portabilidad, el manejo y la autonomía de los métodos tradicionales con la precisión de la tecnología digital. Además se presenta el cálculo de la exposición potencial de cada hoja y la predicción de la misma como novedad.

La precisión del procedimiento ha sido evaluada a lo largo de un proceso de calibración y de resolución de problemas instrumentales y topológicos.

EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN

La invención trata de un sistema d, esarrollado y calibrado para calcular áreas foliares potencialmente expuestas al sol mediante la detenninación de la posiCión relativa de las hojas respecto al campo gravitatorio, cabeceo a y alabeo y respecto a la horizontal, 11 al campo magnético terrestre, rumbo f3 y azimut ti respecto al norte magnético.

El invento que se propone es el único método que en la actualidad pennite, con una sola pulsación en un dispositivo móvil (1) , determinar la posición de cada hoja (14) y, en consecuencia, obtener datos precisos de miles de hojas en muy poco tiempo, que constituirán una población de hojas suficientemente representativa del conjunto de la copa de un árbol adulto.

El sistema permite además la simulación simultánea de grupos de hojas de exposición complementaria en diferentes momentos del año y a distintas latitudes, relevantes en sentido biológico debido a las características de la forma y la órbita terrestre. Estas variables permiten abordar el estudio del funcionamiento de organismos modulares tan complejos como los árboles desde una nueva perspectiva más funcional y más dinámica.

Con un dispositivo móvil (1) se determinan los ángulos de posición, medidos en grados, de la lámina foliar (14) al integrar las medidas de un acelerómetro y un magnetómetro presentes como sensores, entre otros, del dispositivo. Éste puede ser un teléfono móvil, una tableta (tablef) o cualquier dispositivo que incorpore los sensores mencionados.

En una realización preferente se! utiliza un dispositivo que incorpore un giróscopo además de los sensores mencionados, que combinado con el acelerómetro, mejora la precisión.

En una forma aún más particular el dispositivo móvil es un teléfono móvil tipo "smartphone", que si incorpora un I¡iróscopo.

Estos datos se van almacenando en la memoria del dispositivo, en formato tabla de datos.

El fichero se envia a un equipo informático, por cualquier método que permita la transferencia de datos entre dispositivos como un cable USB, una tarjeta microSD o SO, por sistemas bJuetooth o por Internet, si ambos dispositivos están alejados geográficamente.

Este equipo informático está dotado de software (Excell, Stella, por ejemplo) que permite realizar el cálculo de, la ecuación trigonométrica para calcular SAL a través de las operaciones matemáticas presentes en la ecuación. Para ello se utilizan diferentes modelos, desarrollados específicamente para este sistema y basados en la dinámi, ca de sistemas, integran otras variables geográficas de latitud, longitud tlmestres y uso horario, para calcular la exposición potencial de la hoja a la radiación solar a lo largo de un periodo de tiempo (varios días, estaciones) y para una hora puntual, así como para determinar el momento en el que cada hoja alcanza la máxima exposición al sol.

La calibración del software se lleva a cabo mediante un soporte regulable (fig. 3) diseñado para tal fin, y que también se quiere proteger, al que se acopló un digitalizador 3D como referencia para determinar la bondad de ajuste de las medidas. El digitalizador 3D es un aparato formado por un generador de campo electromagnético y un recibidor/sensor que permite calcular la posición y la orientación de éste último en el espacio, asi como la variación en posición/orientación respecto a una posición anterior. El aparato es capaz de realizar medidas dinámicas y a tiempo real de la situación del recibidor en un sistema de coordenadas cartesianas (X, Y, Z) y de orientación (azimut, elevación y giro/alabeo) . El sistema ofrece la captura de movimiento con seis grados de libertad virtualmente sin latencia.

La validación del método en campo se llevó a cabo mediante métodos manuales (clisimetro y brújula) .

El sistema desarrollado combina la. portabilidad, el manejo y la autonomia de los métodos tradicionales con la precisión de la tecnología digital. El uso de sensores incluidos en los dispositivos así como la calibración...

1. Método para determinar la exposición solar potencial de las hojas de un árbol caracterizado porque comprende las siguientes etapas:

1. Calibrar el funcionamiento de un dispositivo móvil mediante un digitalizador 3D (aparato formado por un generador de campo electromagnético y un recibidor/sensor que permite calcular la posición y orientación de éste último en el espacio, asi como la variación en posición/orientación respecto a una posición anterior) y un soporte;

2. Verificar la validez de las medidas a tomar por el dispositivo; para ello, se toman datos de posición de hojas con métodos manuales empleando brújula, clinómetro y nivel para posteriormente

compararlos con los tomados con el dispositivo móvil.

3. Tomar datos de posición de la lámina foliar de una hoja mediante un dispositivo móvil dotado de un acelerómetro y un magnetómetro, colocando el dispositivo móvil en posición paralela a la hoja formando un único plano o estando en planos paralelos, haciendo coincidir el extremo distal al teclado del dispositivo con la parte apical de la hoja, el extremo proximal del teclado del dispositivo con la parte basal (próxima al peciolo) de la hoja y con orientación de la superficie de la pantalla del dispositivo en el mismo sentido que el haz (16) o cara anterior de la hoja 4. Volcar a un equipo informático los datos obtenidos en la memoria del dispositivo móvil;

5. Calcular la exposición potencial a la radiación directa de la hoja a través un software que incorpora un modelo matemático basado en una relación trigonométrica entre los ángulos determinados (SAL) simulando el porcentaje de área foliar potencial expuesta al sol para cada hoja y los posibles grupos de hojas en un momento dado del día, a distintas latitudes y en distintas épocas del año;

6. Elaborar predicciones e hipótesis.

2. Método para determinar la exposición solar potencial de las hojas de un árbol, según reivindicación 1, caracterizado porque el dispositivo móvil (1)

es un teléfono móvil o una tablBta.

3. Método para determinar la exposición solar potencial de las hojas de un árbol, según reivindicaciones 1 y 2, donde el teléfono móvil es tipo "Smartphone" e incorpora un giróscopo para aumentar la precisión de las medidas tomadas.

4. Método para determinar la exposición solar potencial de las hojas de un árbol, según reivindicaciones 1, donde los ángulos foliares son el cabeceo, el alabeo, el azimut y el rumbo.

5. Sistema para determinar la exposición solar potencial de las hojas de un árbol mediante la determinación de la posición relativa de la lámina foliar 20 (14) respecto al campo gravitatorio y al campo magnético terrestre, según el método reivindicado, caracterizado porque se utiliza un dispositivo móvil (1) y porque el dispositivo móvil comprende, al menos, un acelerómetro y un magnetómetro.

6. Sistema para determinar la exposición solar potencial de las hojas de un árbol, según la reivindicación ~¡ , caracterizado porque el dispositivo móvil

(1) es un teléfono móvil o una tableta.

7. Sistema para determinar la exposición solar potencial de las hojas de un JO árbol, según las reivindicaciones 5 y 6, caracterizado porque el teléfono móvil es tipo "Smartphone" e incorpora un giróscopo para aumentar la precisión de las medidas tomadas.

8. Sistema para determinar la exposición solar potencial de las hojas de un

árbol, según la reivindicacione:; 5, 6 Y 7, donde el soporte que se emplea

en la etapa de calibración está unido mediante una clavija de inserción

5 que le permite girar libremente sobre el plano de la tabla y paralelo a ella;

la tabla (3) está adosada a un tripode (5) para sustentarla y se regula por

dos tornillos: el tornillo "cabeGeador" (8) , que permite el cabeceo (13)

sobre el eje Norte-Sur en el panel regulable, y el tornillo "alabeador" (9)

que permite, a su vez, el alabeo sobre el eje Este-Oeste (12) del panel; la

10 tabla presenta grabada una circunferencia (4) y un anclaje (7) para

colocar el digitalizador 3D ajustado por dos tornillos (6)