Investigadores de la Universidad de California, Davis, han desarrollado una aplicación web para ayudar a los agricultores y trabajadores de la industria a utilizar drones y otros vehículos aéreos no tripulados, o UAV, para generar los mejores datos posibles.
por Jessica Heath, UC Davis
Al ayudar a los agricultores a utilizar los recursos de manera más eficiente, este avance podría ayudarlos a adaptarse a un mundo con un clima cambiante que necesita alimentar a miles de millones.
El profesor asociado Alireza Pourreza, director del Laboratorio de Agricultura Digital de UC Davis e investigador postdoctoral Hamid Jafarbiglu, quien recientemente completó su doctorado en ingeniería de sistemas biológicos con Pourreza, diseñó la aplicación When2Fly para hacer que los drones sean más competentes y precisos. Específicamente, la plataforma ayuda a los usuarios de drones a evitar áreas deslumbrantes llamadas puntos de acceso que pueden arruinar los datos recopilados.
Los usuarios de drones seleccionan la fecha en la que piensan volar, el tipo de cámara que utilizan y su ubicación ya sea seleccionando un punto en un mapa o ingresando coordenadas. Luego, la aplicación indica los mejores momentos de ese día específico para recopilar datos de cultivos desde un dron.
Jafarbiglu y Pourreza dijeron que el uso de esta aplicación para la recopilación de datos y imágenes con drones es crucial para mejorar la eficiencia agrícola y mitigar la huella de carbono de la agricultura. Recibir los mejores datos (como qué sección de un huerto podría necesitar más nitrógeno o menos agua, o qué árboles están afectados por enfermedades) permite a los productores asignar recursos de manera más eficiente y efectiva.
«En el manejo de cultivos convencional, manejamos todo el campo de manera uniforme asumiendo que cada planta producirá una cantidad uniforme de rendimiento y que requieren una cantidad uniforme de insumos, lo cual no es una suposición precisa», dijo Pourreza. «Necesitamos tener una idea de la variabilidad espacial de nuestros cultivos para poder identificar y abordar los problemas de manera oportuna y precisa, y los drones son estas increíbles herramientas a las que pueden acceder los productores, pero necesitan saber cómo usarlas adecuadamente».
Disipando la creencia del mediodía solar
En 2019, Jafarbiglu estaba trabajando para extraer datos de imágenes aéreas de huertos de nogales y almendros y otros cultivos especiales cuando se dio cuenta de que algo andaba mal con los datos.
«No importa con qué precisión calibramos todos los datos, todavía no obtuvimos buenos resultados», dijo Jafarbiglu. «Le llevé esto a Alireza y le dije: ‘Siento que hay algo extra en los datos de lo que no somos conscientes y que no estamos compensando’. Decidí comprobarlo todo».
Jafarbiglu examinó minuciosamente los 100 terabytes de imágenes recopiladas durante tres años. Se dio cuenta de que después de calibrar las imágenes, había puntos blancos brillantes y deslumbrantes donde se suponía que debían verse planos y uniformes.
Pero no podía ser un resplandor porque el sol estaba detrás del dron que tomó la imagen. Así que Jafarbiglu revisó la literatura que se remonta a la década de 1980 en busca de otros ejemplos de este fenómeno. No sólo encontró menciones al respecto, sino que los investigadores le habían acuñado un término: hotspot.
Un punto de acceso ocurre cuando el sol y el UAV están alineados de tal manera que el dron se encuentra entre el área visible del sistema de lentes de la cámara y el sol. El dron toma fotografías de la Tierra y las imágenes resultantes tienen un aumento gradual de brillo hacia un área determinada. Ese punto brillante es el punto caliente.
Los puntos críticos son un problema, dijo Jafarbiglu, porque cuando se recopilan datos de vehículos aéreos no tripulados en agricultura, donde se requiere un alto nivel de superposición, las diferencias observadas en las imágenes calibradas deben provenir únicamente de diferencias entre plantas.
Por ejemplo, cada planta puede aparecer en 20 o más imágenes, cada una desde distintos ángulos de visión. En algunas imágenes, la planta puede estar cerca del punto de acceso, mientras que en otras puede estar situada más lejos, por lo que la reflectancia puede variar según la distancia de la planta desde el punto de acceso y la ubicación espacial en el marco, no en función de ninguna de las características de la planta. propiedades inherentes. Si todas estas imágenes se combinan en un mosaico y se extraen los datos, la confiabilidad de los datos se vería comprometida, volviéndolos inútiles.
Pourreza y Jafarbiglu descubrieron que los puntos críticos ocurrían constantemente cuando los drones tomaban imágenes al mediodía solar a mediados del verano, que muchos creen que es el mejor momento para volar drones . Es una suposición obvia: el sol está en su punto más alto sobre la Tierra, las variaciones en la iluminación son mínimas, si no constantes, y en las imágenes se ven menos sombras.
Sin embargo, a veces eso va en contra del dron porque la relación geométrica del sol con la Tierra varía según la ubicación y la época del año, lo que aumenta la posibilidad de tener un punto caliente dentro del marco de la imagen cuando el sol está más alto en el cielo.
«En regiones de latitudes altas, como Canadá, no hay ningún problema; puedes volar en cualquier momento. Pero en regiones de latitudes bajas, como California, tendrás un pequeño problema debido al ángulo del sol». Dijo Pourreza.
«Luego, a medida que te acercas al ecuador, el problema se hace cada vez más grande. Por ejemplo, el mejor horario de vuelo en el norte de California y en el sur de California será diferente. Luego vas a veranear en Guatemala, y básicamente, a partir de las 10:30 Desde las 14:00 hasta casi las 14:00 no deberías volar, dependiendo del control de la cámara orientado al campo. Es exactamente lo contrario de la creencia convencional de que a todas partes deberíamos volar al mediodía solar.»
Hacer crecer la tecnología, nutrir el planeta
Los drones no son las únicas herramientas que pueden aprovechar este descubrimiento. Troy Magney, profesor asistente de ciencias vegetales en UC Davis, utiliza principalmente torres para escanear campos y recopilar datos de reflectancia de las plantas desde varios ángulos de visión. Se puso en contacto con Jafarbiglu después de leer su investigación, publicada en febrero en el ISPRS Journal of Photogrametry and Remote Sensing , porque estaba viendo un problema similar en la teledetección de plantas y señaló que a menudo los usuarios finales lo ignoran.
«El trabajo que Hamid y Ali han realizado será beneficioso para una amplia gama de investigadores, tanto a escala de torre como de drones, y les ayudará a interpretar lo que realmente están viendo, ya sea un cambio en la vegetación o un cambio en simplemente el impacto angular de la señal», dijo.
Para Pourreza, la aplicación When2Fly representa un gran paso adelante en el despliegue de tecnología para resolver los desafíos de la agricultura, incluido el enigma último: alimentar a una población en crecimiento con recursos limitados.
«California está mucho más avanzada que otros estados y otros países con tecnología, pero aún así nuestra agricultura en el Valle Central utiliza tecnologías de hace 30 o 40 años», dijo Pourreza.
«Mi investigación se centra en la detección, pero hay otras áreas como la conectividad 5G y la computación en la nube para automatizar el proceso de recopilación y análisis de datos y hacerlo en tiempo real. Todos estos datos pueden ayudar a los productores a tomar decisiones informadas que pueden conducir a una producción alimentaria eficiente. sistema de producción. When2Fly es un elemento importante de eso».
Más información: Hamid Jafarbiglu et al, Impacto de la geometría de la visión solar en la variabilidad de la reflectancia espectral del dosel, ISPRS Journal of Photogrametry and Remote Sensing (2023). DOI: 10.1016/j.isprsjprs.2022.12.002
