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mayo 20, 2022

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Los potentes sensores en los aviones detectan el nitrógeno de los cultivos con gran precisión

Los potentes sensores en los aviones detectan el nitrógeno de los cultivos con gran precisión
Los sensores hiperespectrales colocados en aviones pequeños pueden detectar con precisión el estado de nitrógeno de los cultivos. Crédito: Universidad de Illinois en Urbana-Champaign

Los fertilizantes nitrogenados sintéticos transformaron la agricultura tal como la conocemos durante la Revolución Verde, catapultando el rendimiento de los cultivos y la seguridad alimentaria a nuevas alturas. 


por Lauren Quinn, Universidad de Illinois en Urbana-Champaign


Sin embargo, a pesar de las mejoras en la eficiencia del uso de nitrógeno en los cultivos, los temores de un bajo rendimiento estimulan la aplicación excesiva de fertilizantes hasta el día de hoy. El exceso de nitrógeno luego termina en las vías fluviales, incluidas las aguas subterráneas, y en la atmósfera en forma de potentes gases de efecto invernadero.

Predecir la cantidad de nitrógeno que necesita un cultivo en particular en un año en particular es complicado. El primer paso es comprender el estado del nitrógeno del cultivo en tiempo real, pero no es realista ni escalable medir el nitrógeno de la hoja a mano durante el transcurso de una temporada.

En un estudio único en su tipo, un equipo de investigación de la Universidad de Illinois colocó sensores hiperespectrales en aviones para detectar de manera rápida y precisa el estado del nitrógeno y la capacidad fotosintética en el maíz.

«Las mediciones de nitrógeno de campo requieren mucho tiempo y trabajo, pero la técnica de detección hiperespectral del avión nos permite escanear los campos muy rápido, unos pocos segundos por acre. También proporciona una resolución espectral y espacial mucho más alta que estudios similares que utilizan imágenes de satélite . «, dice Sheng Wang, profesor asistente de investigación en el Centro de Sostenibilidad de Agroecosistemas (ASC) y el Departamento de Recursos Naturales y Ciencias Ambientales (NRES) de la U of I. Wang es el autor principal del estudio.

«Nuestro enfoque llena un vacío entre las mediciones de campo y los satélites y proporciona un enfoque rentable y muy preciso para la gestión del nitrógeno en los cultivos en la agricultura de precisión sostenible», añade.

El avión, equipado con un sensor de primera línea capaz de detectar longitudes de onda en el espectro visible e infrarrojo cercano (400-2400 nanómetros), sobrevoló un campo experimental en Illinois tres veces durante la temporada de crecimiento de 2019. Los investigadores también tomaron medidas de la hoja y el dosel en el campo como datos reales para compararlos con los datos de los sensores.

Los vuelos detectaron las características del nitrógeno de las hojas y el dosel, incluidas varias relacionadas con la capacidad fotosintética y el rendimiento del grano, con una precisión de hasta el 85 %.

«Eso está cerca de la calidad de la verdad sobre el terreno», dice Kaiyu Guan, coautor del estudio, director fundador del ASC y profesor asociado en NRES. «Incluso podemos confiar en los sensores hiperespectrales aerotransportados para reemplazar la recopilación de verdad en tierra sin sacrificar mucha precisión. Mientras tanto, los sensores aerotransportados nos permiten cubrir áreas mucho más grandes a bajo costo».

La teledetección capta la energía reflejada por las superficies del suelo. La composición química de las hojas, incluido su contenido de nitrógeno y clorofila, cambia sutilmente la cantidad de energía que se refleja. Los sensores hiperespectrales detectan diferencias de solo 3 a 5 nanómetros en todo su rango, una sensibilidad incomparable con otras tecnologías de detección remota.

«Otras tecnologías de detección remota aerotransportadas captan el espectro visible y posiblemente el infrarrojo cercano, solo cuatro bandas espectrales. Eso ni siquiera se acerca a lo que podemos hacer con este sensor hiperespectral. Es realmente poderoso», dice Guan.

Los investigadores ven un uso para sus hallazgos en la popular calculadora de tasa de nitrógeno de maíz de máximo retorno de nitrógeno (MRTN).

Wang explica: «Bajo nuestro enfoque, podemos detectar el estado de nitrógeno del cultivo y hacer algunos ajustes en tiempo real para las partes interesadas agrícolas. MRTN proporciona las tasas de fertilización con nitrógeno recomendadas en función de la compensación económica entre las tasas de fertilización con nitrógeno del suelo y el final del ciclo». rendimiento de la temporada. Nuestro enfoque de detección remota puede alimentar el estado de los nutrientes de las plantas en el sistema MRTN, lo que permite la gestión del nitrógeno del cultivo en tiempo real. Puede cambiar potencialmente las recomendaciones actuales basadas en la fertilización centrada en el suelo antes de la temporada de crecimiento a un diagnóstico basado en -Tiempo de nutrición de las plantas, mejorando la eficiencia del uso del nitrógeno en los agroecosistemas».

Es importante destacar que el equipo de investigación elaboró ​​el mejor algoritmo matemático para detectar datos de reflectancia de nitrógeno del sensor hiperespectral. Esperan que se ponga en uso a medida que se incorporen nuevas tecnologías.

«La NASA está planeando una nueva misión hiperespectral satelital, al igual que otras compañías satelitales comerciales. Nuestro estudio puede proporcionar potencialmente el algoritmo para esas misiones porque ya demostramos su precisión en los datos hiperespectrales de la aeronave», dice Wang.

Guan dice que llevar esta tecnología a los satélites es el objetivo final, lo que permite una vista del estado de nitrógeno de cada campo al principio de la temporada de crecimiento. El avance permitirá a los agricultores tomar decisiones más informadas sobre el aderezo lateral con nitrógeno.

En última instancia, por supuesto, el objetivo es mejorar la sostenibilidad ambiental de los fertilizantes nitrogenados en los sistemas agronómicos. Y Guan dice que la precisión es la forma de llegar allí.

«Esencialmente, no se puede gestionar lo que no se puede medir. Por eso ponemos tanto esfuerzo en esta tecnología».

El artículo se publica en el International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation .



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