Agricultura de Precisión

Noviembre 2020

Introducción

El concepto de Agricultura de Precisión hace referencia a una estrategia de gestión que recoge, procesa y analiza datos temporales y espaciales para tomar decisiones de acuerdo con la variabilidad productiva del lote. El objetivo final es mejorar la eficiencia en el uso de los recursos, la productividad, rentabilidad y sostenibilidad de la producción agrícola.

Agricultura de precisión es un término agronómico que define la gestión de parcelas agrícolas sobre la base de la observación, la medición y la actuación que hace el productor frente a la variabilidad inter e intra-cultivo. Para poder estimar, evaluar y entender dichas variaciones se necesita la interacción de un conjunto de tecnologías que incluyen, el sistema de posicionamiento global (GPS), sensores IOT e imágenes luz-día y multi e hiperespectrales, sistemas de información geográfica (SIG) y algoritmos de aprendizaje automático.

La información recolectada puede ser empleada para evaluar con mayor precisión, por ejemplo, la densidad óptima de siembra, estimar la cantidad adecuada de fertilizantes o de otros insumos necesarios, y predecir con más exactitud la producción y el rendimiento del cultivo. Esta información también es utilizada en los equipos de aplicación variable (VRT) para hacer óptima la aplicación de semillas, fertilizantes y fitosanitarios.

Factores que limitan el rendimiento agrícola

El principal problema al que se enfrentan los agricultores es la falta de información que explique las causas de la variabilidad del rendimiento dentro de un mismo lote.

El rendimiento potencial de un cultivo es el resultado de la interacción de tres factores: (a) definitorios; (b) limitantes y (c) reductores.

• Definitorios: son aquellos que determinan el ‘Rendimiento Potencial’ del cultivo, si no existieran limitantes de nutrientes y agua. Este potencial está definido por el nivel de radiación solar y la temperatura, para cierto genotipo elegido, en un lugar y una fecha de siembra dada, y con una densidad de siembra determinada.
• Limitantes: son los factores que restringen la producción y permiten que se pueda lograr un ‘Rendimiento Alcanzable’, menor al ‘Potencial’. La menor disponibilidad o uso de los recursos abióticos de agua y nutrientes son las causas que explican esta brecha.
• Reductores: son aquellos factores que permiten que se alcance el rendimiento cosechado (‘Rendimiento Logrado’), menor al ‘Rendimiento Alcanzable’. Dentro de estos se encuentran los factores bióticos como ser: malezas, enfermedades, plagas, heladas, granizo, etc.

Los Factores Limitantes y Reductores producen en las plantas distintas condiciones de estrés, y son las que finalmente determinan y explican las diferencias entre el ‘Rendimiento Potencial’ y el ‘Rendimiento Logrado’ de un cultivo.

Dentro de un mismo lote, la variabilidad en el rendimiento puede ser el resultado de factores naturales (suelo, topografía, plagas, lluvia, granizo), y de las prácticas agrícolas aplicadas (siembra, fumigación, fertilización y cosecha). Dentro de los factores naturales, a su vez, hay elementos bastante estables (características edáficas y topográficas del terreno), y otros que pueden variar fuertemente de un año a otro (condiciones climáticas y epidemiológicas).

El Manejo Diferencial por Ambientes es la herramienta que se utiliza para abordar el problema de variabilidad generada por las condiciones naturales estables en un lote dado. Esto se complementa con el Cuidado del Cultivo, que se encarga de monitorear y actuar - si corresponde - para alcanzar las condiciones óptimas de desarrollo de las plantas durante todo el ciclo del cultivo.

Por eso, la agricultura por ambientes apunta a vincular los insumos productivos con las necesidades del cultivo, definidas a partir de pequeñas zonas o ambientes dentro de un lote dado. En vez de tratar al lote como una unidad uniforme, el manejo por ambientes divide el campo en diferentes zonas productivas, y considera a cada una de ellas según sus características propias.

El desafío es manejar de manera óptima aquellas áreas del lote que tienen capacidades productivas diferentes. Esto significa que no existe un rendimiento uniforme, sino que el rendimiento potencial de cada zona específica es el objetivo que se debe buscar maximizar.

Estrategia para incrementar el rendimiento

El desafío de Agrodreams es ayudar a conocer la variabilidad, determinar las causas e identificar cuándo y dónde actuar para maximizar el rendimiento agrícola.

Para esto, se desarrolló una metodología que permite incrementar el rendimiento agrícola en 4 pasos:

1. Determinar la variabilidad de rendimiento: localización, alcance y delimitación de zonas productivas del lote.
2. Identificar y mensurar las causas: cuantificación y causas de los problemas que afectan el rendimiento agrícola.
3. Corregir los problemas: si es posible, levantar las restricciones que impiden un crecimiento uniforme.
4. Optimizar el manejo de insumos: reducir la inversión en las zonas de bajo potencial productivo.

Teledetección

La teledetección (monitoreo con imágenes) es una práctica cada vez más extendida en el análisis del estado de salud del cultivo. Sin embargo, los agricultores están generalmente limitados por la resolución espacial, espectral y temporal de las imágenes disponibles. La tecnología desarrollada por Agrodreams resuelve estas limitaciones, y permite la generación de mapas agronómicos de alta precisión y resolución.

El espectro electromagnético está compuesto por un amplio abanico de ondas de energía que van desde los rayos gamma hasta las frecuencias de radio. Si bien, toda la radiación electromagnética son ondas que conforman el espectro de luz, sólo una pequeña parte de esta es visible al ojo humano. Cada color de la luz tiene una longitud de onda única.

Cuando la luz interactúa con el cultivo, las diferentes bandas de una imágen son absorbidas o reflejadas (rechazadas) por el cultivo. Mediante la medición de la intensidad de absorción y reflactancia que irradia un cultivo, es posible detectar problemas en las plantas en etapas tempranas, antes de que sean visibles para el ojo humano, y anticipar la aparición de anomalías a lo largo del ciclo productivo.

Las cámaras multi e hiperespectrales espectrales permiten capturar información del espectro de luz que resulta invisible para el ojo humano, y que son usadas para medir el estado de vigorosidad o salud de los cultivos.

Índices de Vegetación

Los índices de vegetación son combinaciones de bandas espectrales tomadas con sensores ópticos (cámaras) montados en satélites, aviones o drones, que permiten observar el estado de la vegetación en función de su respuesta espectral y diferenciar otros elementos como suelo y agua.

Las plantas transforman la energía del sol en energía química a través del proceso de fotosíntesis, y parte de esta energía queda almacenada en forma de materia orgánica. Esta información es capturada por las cámaras que poseen bandas espectrales tanto visibles, como no visibles para el ojo humano.

Luego, se construyen mapas agronómicos generadas a partir de operaciones algebraicas calculadas con las distintas bandas espectrales de las imágenes. El resultado de estas operaciones permiten obtener una nueva imagen donde se colorean los píxeles en función a los parámetros de la cobertura vegetal. En la práctica existen una gran cantidad de índices agronómicos de vegetación

Agrodreams: productos agronómicos

Agrodreams entrega al usuario el conjunto de herramientas agronómicas más completo y avanzado del mercado. A partir de información satelital clasificada en 10 bandas espectrales (RGB, Red Edge, NIR y SWIR), con 1 metro de resolución por píxel, la app genera automáticamente 4 índices de vegetación y 6 mapas agronómicos para monitoreo del cultivo.

Los índices de vegetación que ofrece Agrodreams pueden agruparse en dos grandes categorías: cobertura de hojas (biomasa), y nivel de clorofila en hoja.

La variación de estos grupos de índices se explicarán por situaciones de estrés hídrico, deficiencia de nutrientes, presencia de plagas, malezas y enfermedades, malas prácticas agronómicas y fenómenos climáticos adversos.

Índices de vegetación

NDVI: Normalized Difference Vegetation Index

Este es el índice más conocido dentro de la variedad de índices de vegetación existentes. Mide el estado de vigorosidad del cultivo. Se lo recomienda para analizar la biomasa en estadios intermedios de cultivo.

Los valores del NDVI están en función de la energía absorbida o reflejada por las plantas en diversas partes del espectro electromagnético. Recorre un rango entre el -1 y 1, donde los valores por encima de 0 determinan la presencia de actividad vegetal. A medida que el valor asciende, el nivel de vigorosidad del cultivo aumenta.

Valores comprendidos entre 0 y 0,4 determinan pasturas o vegetación poco densa, valores comprendidos entre 0,6 o 0,8 corresponden a cultivos en desarrollo y valores elevados como 0,8 a 1,0 determinan vegetación sana y vigorosa.

GNDVI: Green Normalized Difference Vegetation Index

Mide el estado de vigorosidad de las plantas. Recomendado para estadios avanzados de cultivo. Los valores se encuentran entre -1 y el 1. Los correspondientes a la cubierta vegetal oscilan entre el 0,6 y 1, permitiendo interpretar con facilidad la variación de sanidad dentro de un mismo cultivo. Los valores negativos, corresponden a superficies cubiertas de agua, o a suelo desnudo, sin vegetación.

WDRVI: Wide Dynamic Range Vegetation Index

Mide el estado de vigorosidad de la biomasa. Recomendado para estadíos avanzados del cultivo, dado que evita los problemas de saturación que presenta el índice NDVI cuando hay abundante nivel de vegetación. Sus valores varían entre -1.0 y 1.0.

NDRE: Normalized Difference Red Edge

Es un buen estimador del nivel de clorofila en hoja. Recomendado para estadíos avanzados, cuando hay mucha biomasa. Sus valores varían entre -1.0 y 1.0.

Mapas agronómicos

A partir de índices de vegetación propietarios, Agrodreams desarrolló 5 mapas agronómicos que se detallan a continuación:

Biomasa

Este índice mide el estado de salud vegetal. Permite observar la cantidad de materia viva o cubierta vegetal en la superficie del lote. En el mapa, el contenido de biomasa se representa con una gama de colores que varía de rojo a verde, pasando por tonalidades intermedias en anaranjado y amarillo. A medida que los colores se acercan a las tonalidades más verdes, el nivel de biomasa es mayor y más saludable.

El índice de vegetación utilizado en este mapa varía entre -1 y 1, donde los valores por encima de 0 determinan la presencia de actividad vegetal, y a medida que el valor asciende, el nivel de vigorosidad del cultivo aumenta.

El mapa presenta 5 niveles de biomasa:

• < 0: ausencia de vegetación
• > 0: presencia vegetal
• 0 – 0,3: pasturas o vegetación con problemas
• 0,33 – 0,66: cultivo en desarrollo
• 0,67 – 1: cultivos sanos y vigorosos

Clorofila

La clorofila es el pigmento verde presente en las hojas y juega un papel importante en el proceso de fotosíntesis: conversión de la energía de la luz en energía química. Por lo tanto, es un indicador directo del rendimiento y potencial fotosintético de la planta. También se puede usar para comprender el estado de nutrientes, la senescencia y el estrés de la planta debido al agua, brotes de enfermedades, etc. La vegetación sana contiene grandes cantidades de clorofila, mientras que cultivos con stress o con daños experimentan una disminución del contenido de clorofila y cambios en la estructura molecular de las hojas.

El nivel de clorofila depende de muchos factores, entre ellos del nivel de nutrientes en suelo, tipo y variedad de planta, condiciones climatológicas y fisiológicas del cultivo. Por lo tanto, cada caso deberá analizarse en forma particular, ya que dos plantas con un mismo nivel de clorofila pueden presentar situaciones sanitarias diferentes.

El mapa de clorofila muestra la distribución espacial y cualitativa del contenido de clorofila en hoja. Esto se representa en el mapa con una gama de colores que van del blanco a diferentes tonalidades de verde. A medida que aumenta la intensidad del color, la presencia de clorofila es mayor.

El índice de vegetación utilizado en este mapa varía entre 0 y 2,5, donde los valores aumentan conforme se incrementa el contenido de clorofila. El índice presenta 5 niveles de clorofila:

• 0 – 0,5: Muy bajo
• 0,5 – 1: Bajo
• 1 – 1,5: Medio
• 1,5 – 2: Alto
• 2 – 2,5: Muy alto

Nitrógeno

Este mapa muestra el nivel de nitrógeno en hojas. A partir de índices de vegetación que miden el nivel de clorofila en hoja, se estima la presencia de nitrógeno en el cultivo para determinar las zonas con exceso y/o déficit. El nivel de nitrógeno depende de muchos factores, entre ellos el tipo de suelo, tipo y variedad de planta, condiciones climatológicas y fisiológicas de la planta. El mapa presenta la distribución espacial y cualitativa del contenido de nitrógeno en hoja. Se representa con una gama de colores que varía de blanco a diferentes tonalidades de lila. A medida que aumenta la intensidad del color, la presencia de nitrógeno en hoja es mayor.

El índice de vegetación utilizado en este mapa varía entre 0 y 2,5, donde los valores aumentan conforme se incrementa el contenido de nitrógeno. El índice presenta 5 niveles de nitrógeno:

• 0 – 0,5: Muy bajo
• 0,5 – 1: Bajo
• 1 – 1,5: Medio
• 1,5 – 2: Alto
• 2 – 2,5: Muy alto

Estrés Hídrico

Este mapa permite identificar el nivel de humedad o contenido de agua en hojas, e indirectamente indica el nivel de estrés hídrico del cultivo. El estado hídrico del cultivo se representa con una gama de colores que va de blanco a azul, pasando por distintas tonalidades de celestes. El índice de vegetación utilizado varía entre -1 y 1, donde los valores aumentan a medida que la vegetación mejora su estado hídrico. Normalmente un cultivo en buen estado hídrico presenta valores entre 0.02 y 0.6 puntos de índice, mientras que valores menores a 0 representan a una vegetación bajo condiciones de estrés hídrico.

Anegamiento

Permite identificar espejos de agua. En el mapa las zonas con agua afectadas se individualizan en color azul intenso. El índice varía en un rango de -1 y 1, donde los valores superiores a 0,2 comienzan a mostrar la presencia de zonas anegadas o agua.

Vegetación Quemada

Permite detectar áreas quemadas en grandes zonas de incendio. Las zonas quemadas se individualizan con los colores gris oscuro y negro. Este mapa está especialmente indicado para la evaluación post-incendio.