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CIENCIA CIENCIA HOY Ciencia hoy Agricultura de precisión, análisis de imágenes aplicada a la producción agrícola
CIENCIA CIENCIA HOY Ciencia hoy Agricultura de precisión, análisis de imágenes aplicada a la producción agrícolaAgricultura de precisión, análisis de imágenes aplicada a la producción agrícola
María Fernanda Cuevas-Rivera, Gema Matzil Olguin-Utrera, Andrés Lira-Noriega, Randy Ortiz-Castro
Artículo publicado en el Portal Comunicación Veracruzana el día 15 de julio 2021
La humanidad a lo largo de su historia ha ido evolucionando o perfeccionando sus técnicas para un desarrollo óptimo de la agricultura frente a la población creciente y la demanda de alimentos. Desde de la Revolución Verde, el uso de herramientas mecánicas y sistemas de fertilización han ayudado en la optimización de recursos y producción de alimentos. Recientemente, la agricultura de precisión (AP) surge como un nuevo concepto y forma de trabajo orientada al uso de herramientas basadas en imágenes (RGB, multiespectrales o hiperespectrales) para monitorear cultivos y determinar de forma eficiente regiones donde se requiera atención focalizada para mejorar la nutrición o atención a plagas o enfermedades. La apuesta tecnológica de la AP motiva investigación para facilitar y mejorar la toma de decisiones más amigables con el medio ambiente en las cada vez más extensas áreas cultivadas a lo largo del mundo y en un momento crucial de la humanidad.
Palabras clave: agricultura de precisión, imagenología, imagen RGB
El mundo experimenta una creciente demanda por productos agrícolas para lograr cumplir con las exigencias de mercados que hacen uso de productos comestibles y abastecer a una población en constante crecimiento. Se estima que la población mundial para el 2050 será de 9,700 millones de personas, lo cual implica la necesidad de mejorar la producción de alimentos. Una posible alternativa para mejorar el diagnóstico y optimización para mejorar la producción agrícola proviene de la agricultura de precisión, la cual se define como un conjunto de tecnologías como satélites, sensores e imágenes y sistemas que se aplican en el trabajo en el campo que reúne, procesa y analiza datos temporales, espaciales e individuales y los combina con otra información para respaldar las decisiones de gestión de acuerdo con la variabilidad estimada para mejorar la eficiencia del uso de recursos, la productividad, la calidad, la rentabilidad y la sostenibilidad de la producción agrícola y forestal [1]. Lo anterior es factible gracias a la cada vez más eficiente captura de información de campos y cultivos de distintas extensiones y su procesamiento en períodos de tiempo relevantes. Dicha información es proveniente de sensores ópticos que facilitan formar diferentes tipos de imágenes digitales para el análisis de datos [2, 3]. En la última década se han empleado sensores ópticos (e.g., RGB, multiespectrales o hiperespectrales, térmicos, de fluorescencia de clorofila y 3D) y algoritmos para medir y observar la fisiología de las plantas y específicamente para la detección temprana de plagas y enfermedades, estado nutricional de las plantas, estrés hídrico o salino. Las imágenes digitales captadas a través de estos sensores ópticos se representan como matrices de datos bidimensionales (2-D), donde cada píxel representa la unidad más pequeña que se puede controlar y direccionar en un espacio de coordenadas geográficas. En la agricultura, la aplicación de técnicas orientadas al análisis de imágenes ha sido útil para detectar etapas tempranas de infecciones o enfermedades, deficiencia de nutrientes, y deshidratación. Esto implica mejorías en la intervención, prevención y control de diversos problemas asociados al manejo de cultivos [4, 5].
Procesamiento y análisis de imágenes digitales
Para poder obtener datos cuantificables a partir de imágenes obtenidas desde sensores remotos es necesario llevar a cabo un procesamiento que facilite su conversión a unidades e índices con sentido biológico. Esto se logra a partir de procesamientos y análisis de las diferentes variables representadas por los pixeles provenientes de distintas bandas de acuerdo a los sensores que hayan sido utilizados (Figura 1).
Las imágenes más comúnmente utilizadas son las imágenes RGB. Estas captan solo una fracción del espectro visible dentro de todo el espectro electromagnético y son equivalentes a las que pueden captar las cámaras de los teléfonos celulares que usamos hoy en día. Estas imágenes guardan información en tres bandas que representan tres longitudes de onda distintas (en nanómetros): la roja (R; 650 nm), la verde (G; 520 nm) y la azul (B; 475 nm). En este sentido, cada píxel de una imagen digital tiene un valor particular de la región roja, verde o azul, que es un espacio de color tridimensional utilizado para generar el color de un objeto como lo percibimos nosotros. Algo interesante es que estas imágenes se pueden descomponer en cuanto a su tono, saturación e intensidad de sus píxeles (HSI, por sus siglas en inglés), ofreciendo esto un potencial aún mayor de información utilizable. El tono es el color puro del píxel, mientras que la saturación es la cantidad de color (tono puro, a blanco, que contiene un rango más amplio), y la intensidad se relaciona con su brillo (desde el tono puro hasta completamente negro) [9, 10]. Por ello, dependiendo de cuál sea la pregunta y objeto de estudio, durante la adquisición de la imagen se debe de tomar en cuenta ciertos criterios como la iluminación, la distancia focal, y posteriormente su procesamiento a fin de lograr obtener los resultados esperados (Figura 2).
Aplicaciones basadas en RGBSe ha incrementado la aplicación de imágenes basadas en RGB en los diversos campos de la agricultura, tanto en el campo como en el laboratorio o invernadero. Específicamente, para la identificación, mapeo y discriminación de malezas y cultivos, cuantificación del color y condición fotosintética del césped, análisis cuantitativo de un proceso fisiológico especialmente variable a través de la superficie de una hoja, prueba de color de semillas para la identificación de rasgos comerciales de semillas y estimación del contenido de clorofila en plantas
micropropagadas [5]. En la (figura 3), se muestran imágenes representativas del estudio del proceso de infección por un fitopatógeno en la planta modelo Arabidopsis thaliana, donde el color azul indicado en las imágenes después de su análisis digital indica los niveles de clorosis en el tejido y el color verde a la clorofila, esto permite calcular el área o porcentaje de tejido vegetal dañado cuando las plantas son inoculadas con algún fitopatógeno. Además de evaluar procesos de infección, se puede estudiar efectos de la nutrición vegetal como la deficiencia de nutrientes como fosfatos, nitratos o hierro.
El ejemplo anterior muestra cómo podemos traducir información de los procesos fisiológicos para entender su respuesta a infecciones con fitopatógenos o deficiencia de nutrientes. Pensemos ahora que estos ejemplos son escalables para realizarse en el invernadero o en el campo de cultivo. De tal forma que podemos entonces aprovecharnos del análisis espectral de imágenes capturadas por distintos tipos de sensores remotos y lograr así una “agricultura de precisión” para aumentar la productividad de los cultivos y monitoreo temprano de distintos procesos fisiológicos o cuando están sufriendo impactos por plagas y enfermedades. Lo anterior podrá entonces ayudarnos a hacer más eficiente las acciones de fertilización y control de las enfermedades y reducir al máximo la variabilidad en el cultivo y producción. Recientemente, el uso de drones se suma a la estrategia de la agricultura de precisión haciendo más accesible y rápido el monitoreo de los cultivos y/o bosques.
Agradecimientos
El presente trabajo forma parte del proyecto de FORDECYT-PRONACES 292399 “Generación de estrategias científico-tecnológicas con un enfoque multidisciplinario e interinstitucional para afrontar la amenaza que representan los complejos ambrosiales en los sectores agrícola y forestal de México”.
Referencias
- Agricultura de precisión de acuerdo a la International Society of Precision Agriculture – ISPA.
- Lowe, A., et al., (2017). Plant methods,13(1), 80.
- Padmavathi, K., & Thangadurai, K. (2016). Indian Journal of Science and Technology,9(6), 1-6.
- Mahlein, AK (2016). Enfermedad vegetal,100(2), 241-251.
- Gupta, S. D., Ibaraki, Y., & Trivedi, P. (2014). Plant Image Anal. Fundam. Appl,41, 22.
- Boldrini, B., Kessler, W., Rebner, K., & Kessler, R. W. (2012). Journal of near infrared spectroscopy, 20(5), 483-508.
- Ahmed, M. R., Yasmin, J., Lee, W. H., Mo, C., & Cho, B. K. (2017). Journal of Biosystems Engineering,42(3), 199-216.
- Zhang, J., et al., (2019). Computers and Electronics in Agriculture,165, 104943.
- Arivazhagan, S., et al., (2013). Ingeniería Agrícola Internacional: CIGR Journal,15(1), 211-217.
- Bock, C. H., et al., (2010). Critical Reviews in Plant Sciences,29(2), 59-107.
Créditos de las figuras
Figura 1 a la 3. Crédito: Gema Matzil Olguín Utrera y María Fernanda Cuevas Rivera.
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- El agua de la Cuenca Alta de la Antigua
- El silencio de la humanidad y la reaparición de la fauna silvestre
- Toritos cavadores del suelo
- ¿De dónde vienen las plantas?
- Biotecnología aplicada en la acuicultura
- Comunicación química planta – bacteria
- Nudibranquios: Criaturas de fantasía
- Innovación tecnológica inspirada en la naturaleza
- La función secreta de las alas en las moscas de la fruta
- La cacerolita de mar
- La vida de los escarabajos entre luz y oscuridad
- Seguridad alimentaria: Nuestras soluciones están en la naturaleza
- Los microRNAs, orquestadores de las respuestas de defensa de las plantas
- Refugios cavernícolas, importantes en la conservación de los murciélagos
- Los perfumes de las bacterias
- La planta madre del jitomate, un aporte ancestral
- Diversidad de haemosporidios en Aves de Isla Socorro
- México, pueblo que come hongos, especies silvestres y cocina nacional
- Información básica y recomendaciones de manejo de mascotas ante el COVID-19
- COVID-19 lejos de mi casa
- Coronavirus confronta escasez de agua
- Los cafetales bajo sombra brindan mucho más que café
- Nuevo estudio muestra la vulnerabilidad de las ciudades mexicanas ante COVID-19, la sobrecarga de sus sistemas públicos de salud y la importancia del distanciamiento social
- El biocontrol en la era del miocrobioma
- ¿Es una buena idea invertir en salud y ciencia?
- Predicción cumplida: otra pandemia
- Mapas: herramientas contra desastres naturales
- Una frontera desconocida: la copa de los árboles
- Solidaridad hídrica frente al COVID-19
- ¿Las cícadas tóxicas, son comestibles?
- ¿Qué es el Microscopio Electrónico de Transmisión?
- Conociendo a los hongos fitopatógenos
- Parásitos: mala fama, seres fascinantes
- Bacterias que nutren
- Calidad e maíces para alimentos tradicionales
- ¿ Se conservan los mamíferos?
- Diversidad filogenética: más allá del número de especies
- Sustrato orgánico para el crecimiento vegetal
- Un virus bioinsecticida para el control del gusano terciopelo de la soya
- Bioluminiscencia, fascinante fenómeno natural
- Compartir espacio para la biodiversidad
- Hallazgos científicos en los nidos de las aves
- Usos del maíz
- Las aves silvestres no son mascotas
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- La función de la vegetación ribereña y la calidad de los ríos
- Ría Lagartos: un área protegida única en México y el mundo
- Revelando las sorprendentes actividades de la mariposa monarca durante su estancia invernal en México, destacando la importancia del gradiente de vegetación para su sobrevivencia
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- Secuestro de carbono en los desiertos de México
- Los coyotes y las zorritas no leen en inglés: La historia de dos especies que coexisten en la Reserva de la Biosfera Mapimi
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- ¿Para qué más ciencia?
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- Microorganismos y gradientes altitudinales: ¿los microbios siguen los principios de Humboldt?
- Humboldt, el gran inspirador
- Hongos ascomicetos y el Programa DELFIN
- ¿A dónde y cómo se mueven los insectos?
- Dengue: recomendaciones para el público en general
- Energía del océano como alternativa
- Abejas: joyas de nuestros bosques
- Vegetación, Humboldt y gradiente altitudinal
- Islas Marías y los muros de agua
- Conociendo los acantocéfalos en México
- Gatos ferales
- Oportunidades de investigación en torno al cultivo de frutos suaves en México
- Escarabajos: Los buenos somos más
- Día Nacional de los Jardines Botánicos 2019
- Limpiando agua en humedales con flores
- Aire no contaminado con biorefinerías
- Biodiversidad y seguridad alimentaria
- Incendios Forestales: una amenaza constante
- Un día para salvar anfibios
- Arboles urbanos con valor alimenticio
- Relaciones planta-animal en la naturaleza
- Las colecciones biológicas, tesoros que debemos conservar
- Oxalidaceae, una familia de plantas escasamente conocida con gran potencial utilitario.
- Encuentran migas de pan de 14,400 años en Jordania
- ¿Será posible recuperar especies animales?: el caso del Santuario del Bosque de Niebla en Xalapa
- El mono y el cacao: una relación íntima que genera frutos para la conservación
- ¿Porque conservar la biodiversidad?
- La cría de escarabajos estercoleros en áreas ganaderas de Veracruz, como respuesta al efecto económico de la Ivermectina aplicada al ganado
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- La riqueza, diversidad y endemismo de las gramíneas en México
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- 1er Festival ECOPICS de la Montaña un evento a recordar…
- ¡Científico del pasado vs. Científico del presente!
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- Ciencia ciudadana en México
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- La ganadería y la pérdida de la biodiversidad
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- Ciudades: amenazas y oportunidades para la biodiversidad
- Los azafrancillos mexicanos
- Programar para preservar
- Percepcion y conservación de los bosques aledaños a la ciudad de Xalapa
- INECOL y Ganadería Sustentable de Veracruz
- Firma de convenio EER-INECOL con CANACINTRA
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- Los hongos microscópicos saprobios. Un valioso recurso pobremente conocido en México
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- Algunas consideraciones sobre la Evolución
- 100 años de conservar la Biodiversidad Mexicana
- Bases de datos en plantas
- La pitaya: un fruto que puede cultivarse sin eliminar la vegetación
- Jardin de mariposas
- Investigando nuevos métodos para controlar los zancudos en el estado de Veracruz
- Utricularia; una de las especies favoritas del naturalista Charles Darwin
- La Colección de Hongos (XAL) del INECOL
- La vida en mí, conociendo a mis huéspedes eternos
- Microscopía electrónica de barrido y microanálisis de elementos del Clúster Científico y Tecnológico BioMimic®
- Escarabajos fruteros en México
- Parque Nacional Revillagigedo: un legado de conservación a posteridad
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- Cerca de 15,000 niños beneficiados por el programa Fairchild Challenge coordinado por el INECOL
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