2015 Estimación de Rendimientos y Proteína en Trigo Candeal Utilizando Drones
Ginestet, Pablo C
[email protected] 23/01/2015
Estimación de rendimientos y contenido de proteína en el cultivo de trigo mediante la utilización Cámaras multiespectrales a bordo de Drones. Resumen: Con la utilización de imágenes multiespectrales aéreas obtenidas a través de un UAV, tomadas en el momento en que el cultivo de trigo se encontraba en Zadoks 60, es decir a días de entrar en antesis, unos 45/50 días previos a la cosecha, se busca predecir los niveles de rendimientos y proteína que se pueden lograr. De esta manera se puede ajustar en caso de precisarse, una fertilización estratégica buscando elevar los niveles de proteína en los sectores que los mismos sean inadecuados para la calidad objetivo del cultivo.
Introducción
La calidad panadera del trigo se asocia con frecuencia con los niveles de proteína en grano. El nitrógeno (N) es el nutriente que mas condiciona la obtención de contenidos adecuados de proteína y gluten en los granos de trigo. Algunos autores han reportado que la aplicación foliar de N en los estadios avanzados del cultivo aumenta el contenido de proteína y gluten del grano (Echeverría & Studdert, 1998). El fraccionamiento de la dosis de N tiene como beneficio adicional que permite una mayor eficiencia de uso del N y, por consiguiente, menor riesgo ambiental en zonas de inviernos lluviosos. La aparición de nuevas tecnologías, como el UAV (vehículo aéreo no transportado) los cuales pueden equiparse con cámaras multiespectrales, nos permiten obtener un mapa georreferenciado con detalles antes impensado. Mediante la utilización de software GIS, y en combinación con diferentes índices de vegetación, nos brindan una herramienta muy poderosa para evaluar el estado del cultivo. Cabe destacar que este tipo de vehículos, al volar a baja altura, de 100 hasta 1000 mts, se pueden obtener resoluciones de hasta 5 cm de pixel, y a diferencia de los satélites no hay inconvenientes por la presencia de nubes, lo cual prácticamente nos permite elegir el día y la hora en la cual hacer las imágenes. Asimismo los satélites disponibles no cuentan, excepto 2, con la banda espectral necesaria, RED EDGE (700 nm), para realizar estimaciones del estado nutricional del cultivo. La alternativa que se disponía para hacer este tipo de mediciones cuando el cultivo se encuentra en pre antesis, era el clorofilómetro Minolta (SPAD), con el cual solo se podían tomar datos muy parciales de un lote, los cuales son difíciles de extrapolar el resto del lote. Mediante la utilización de estos índices se plantean los siguientes objetivos: a) mediante la utilización del NDVI estimar el rendimiento en grano del cultivo, b) establecer una relación entre el valor SPAD y el índice TCARI/OSAVI que nos permitan inferir el
estado nutricional del cultivo, y c) con las estimaciones anteriores determinar el nivel de proteína y plantear alternativas de fertilizaciones estratégicas.
Materiales y Métodos Para lograr los objetivos se utilizaron imágenes aéreas multiespectrales obtenidas mediante un UAV (vehículo aéreo no tripulado), en el cual iba montada una cámara Tetracam Mini-MCA 6A la cual estaba equipada con 6 filtros espectrales que nos permitían leer las siguientes bandas, 470 nm (B), 550 nm (G), 660 nm(R), 690 nm (Red Edge), 710 nm (Red Edge) y 810 nm (IR). El lote (La Benigna), ubicado en Henderson (Provincia de Buenos Aires) tenía una superficie de 90 hectáreas en las cuales había 29 hectáreas de cultivo de trigo candeal, variedad Topacio, las cuales estaban distribuidas en 5 parcelas, dentro de cada parcela se encontraban situaciones diferentes de terreno, lomas y bajos. El planteo técnico fue el mismo para todas las parcelas. El vuelo se realizo el día 30-10-2014 a una altitud de 350 mts, con lo cual nos permitió obtener una resolución de pixel de 15 cm. El mismo día en el cual se tomaron las imágenes se hicieron mediciones con el Clorofilómetro SPAD en 33 puntos georreferenciados y distribuidos espacialmente en todas las parcelas. Aprovechando la experiencia recogida en los últimos 4 años en estimación de rendimientos mediante la utilización del índice NDVI calculado a partir de imágenes satelitales LandSat 5 y 8, se procederá a realizar dicha estimación con los datos obtenidos de la cámara montada sobre el UAV. Campaña
Has
2010-2011 2011-2012 2012-2013 2013-2014
1305 1478 1633 8248
Obtenido 3930 4781 4169 4551
Estimado 3963 4842 4198 4388
Rindes Dif. Kgs -33 -61 -29 163
Dif. % -0.8% -1.3% -0.7% 3.6%
Desv Est 335 436 -29 372
CV 8.5% 9.1% 11.0% 8.2%
El índice TCARI/OSAVI, se puede describir de la siguiente manera, TCARI (Transformed Chlorophyll Absorption in Reflectance Index), utiliza bandas correspondientes a la zona de mínima absorción de los pigmentos fotosintéticamente activos, correspondiente a los 550 nm (Verde) y 700 nm (Borde Rojo), en combinación con la zona de máxima absorción de clorofila, alrededor de los 670 nm (Rojo). Este índice es sensible a las características de reflectividad del suelo, por lo que resulta difícil de interpretar con valores bajos de LAI (Índice de Área Foliar), por ello se propone su combinación con un índice de vegetación ajustado al suelo (Optimized Soil Adjusted Vegetation Index: OSAVI). Como este Índice no necesita información sobre las propiedades ópticas del suelo y ofrece buenos resultados en cultivos agrícolas, su combinación con el índice TCARI reduce la influencia de la reflectividad del suelo y realza la sensibilidad a las variaciones relacionadas con el contenido de clorofila”. Martin, Isabel et al (2006), así y todo cuando los valores de LAI son demasiado bajos el índice se ve igualmente afectado, por lo que no funcionaria en esos casos. También es importante mencionar que la relación TCARI/OSAVI permite obtener datos de la variación del contenido clorofílico de la hoja. El dato de este índice indicador del estrés nutricional y de situaciones de clorosis en la vegetación. Marín et al (2013). El otro instrumento utilizado es el clorofilómetro Minolta SPAD 502, constituye una alternativa interesante, al ser un instrumento de lectura instantánea, de fácil manejo y no destructivo. Éste mide un índice de verdor en unidades SPAD, proporcional a la concentración de clorofila, que actúa como un indicador sensible del nivel fisiológico de la planta relacionado con el contenido de N en hojas (Fox et al., 1994; Reeves et al., 1993). Las determinaciones realizadas están orientadas a conocer el valor predictivo del contenido de proteína a través del N total en hoja bandera. Los resultados obtenidos, luego de cuatro años de investigación, muestran que es útil evaluar el contenido de N total en hoja bandera durante pre-antesis porque esta variable tiene una alta correlación con el contenido de proteína en grano (r2 = 0.69) y por lo tanto constituye una herramienta útil para diagnosticar la necesidad o no de realizar aplicaciones para calidad. (Bergh et al., 2000)
Resultados Estimación de Rendimientos
Con los datos del NDVI se calcula el rinde potencial de cada pixel del lote y se proyecta sobre los mismos el rendimiento esperado, generando de esta manera una aproximación a lo que sería un mapa de la producción esperada. Este año en particular, las altas temperaturas de mediados del mes de noviembre, las cuales superaron los 40°C, y sumado a eso, una leve falta de precipitaciones, provocaron, sobre todo en los sectores mas altos del lote un moderado stress en el cultivo, lo cual afecto el rendimiento del mismo.
Detalle de Rinde Estimados y Obtenidos Parcela
Has
1 2 3 4 5
4.15 3.77 2.82 12.7 5.46 28.9
Rinde (Kg/Ha) Estimado Real 3651 3530 3625 3385 3605 3652 3820 3624 4010 3954 3785
3644
Dif Kgs -121 -240 47 -196 -56
-3% -7.1% 1% -5% -1%
-141
-4%
%
Estimación del contenido de proteína en grano En una segunda etapa, como uno de los objetivos planteados originalmente era tratar de predecir el nivel de proteína que tendríamos en cada sector del lote a fin de poder ajustar fertilizaciones estratégicas para corregir deficiencias o cosecha diferenciada por calidad, mediante el uso del clorofilómetro SPAD, y los datos recogidos a campo, se armo una relación con los datos del índice TCARI/OSAVI calculado a partir de las imágenes tomadas a través del UAV. TCARI = 3((RE710 - R) – 0,2(RE710 - G) x (RE710 / R)) OSAVI= ((1 + 0.16) x (IR - R))/(IR + R + 0,16)
Relacion SPAD / Tcari-Osavi 55 50
SPAD
45
R² = 0,7051
40 35 30 25 20 0,000
0,050
0,100
0,150
0,200
0,250
0,300
TCARI/OSAVI
La relación entre SPAD y TCARI/OSAVI, fue dentro de lo esperado y similar a lo observado en otras experiencias. En los puntos verdes del grafico, son puntos que no se tomaron en cuenta al momento del análisis de los datos, ya que los mismos escapaban de los rangos analizados, y además coincidían con situaciones de terreno anómalas. En el caso de los puntos en que el SPAD daba valores cercanos a 50, eran lugares de superficie reducida, 1 o 2 mts2 en los cuales había alguna particularidad asociada a la
fertilidad del suelo, que mostraba un desarrollo y estado de la vegetación muy diferentes a lo que la rodeaba, y al lo encontrado en el resto del lote, como dichos valores se salían mucho del lo encontrado en el lote, se dejaron fuera del análisis. Mediante esta relación se calculo a partir del índice TCARI/OSAVI que valor de SPAD seria esperable para cada pixel, lo cual nos genera el siguiente mapa:
Una ves obtenido los mapas de estimación de rendimiento y de SPAD, para cada pixel, vamos a tener 2 valores, uno de rinde esperado y otro de SPAD, los combinamos y asi obtenemos que nivel de proteína es esperable en cada sector en función del rinde y su correspondiente valor SPAD.
Predicciones de proteína (Bergh) Rendimiento Nutrición nitrogenada Bajo - 30 qq Medio - 40 qq Alto - 50 qq --- Unidades SPAD ----- % de Proteína estimada --30 32 34 36 38 40 42 44 46 48
8,6 9,2 9,8 10,4 11 11,6 12,2 12,8 13,4 14
7,7 8,3 8,9 9,5 10,1 10,7 11,3 11,9 12,5 13,1
6,9 7,5 8,1 8,7 9,3 9,9 10,5 11,1 11,7 12,3
50 14,6 13,7 12,9 El modelo para altos rindes % de Prot.: 0305 SPAD - 2.24 El modelo para bajos rindes % de Prot.: 0295 SPAD - 0.293
Parcela
Has
Proteína Real Estimada
Dif (%)
1 2 3 4 5
4.15 3.77 2.82 12.7 5.46
10.8 10.3 10.7 10.9 10.3
11.1 10.71 11.5 11.0 11.01
-3.3% -4.0% -7.5% -1.4% -6.9%
28.9
10.6
11.1
-4.8%
Cada parcela se cosecho por separado, se tomaron muestras de cada una de ellas y se enviaron al laboratorio para su análisis, el valor arrojado por el análisis se tomo como el verdadero de cada parcela.
Conclusiones La estimación de rendimientos mediante el uso del NDVI, al momento de Z60, nuevamente se comporta como un parámetro muy fuerte del rendimiento en grano final, obteniéndose valores similares a los de las campañas anteriores calculados a partir de índices NDVI obtenidos a partir de imágenes satelitales. El valor SPAD y el índice TCARI/OSAVI muestran una relación que bien expresa el estado nutricional de la planta, lo cual nos permite inferir con un tiempo prudencial previo a la cosecha, 30 a 40 días, que cantidad y calidad de grano vamos a obtener al momento de la misma. El conocer de antemano estos datos nos permiten tomar decisiones de manejo del cultivo, fertilización estratégica por ejemplo, la cual nos ayudara a obtener una mejor calidad y por lo tanto un mejor precio de venta. Además al conocer tanto el estado nutricional como el rinde esperado, podemos aplicar solo el fertilizante necesario en cada sector de acuerdo a las necesidades que se requieran para alcanzar el nivel de calidad deseada. Este punto era parte de los objetivos a alcanzar, pero cuestiones logísticas no nos permitieron realizar las aplicaciones de fertilizante para poder llevar adelante el ensayo. Otra alternativa seria realizar, si fuera posible, una cosecha por sectores a fin de obtener calidades diferenciadas. Si bien el estudio esta realizado sobre trigo candeal, la metodología es la misma para hacerlo en trigo pan, solo hay que usar modelos diferentes los cuales tambien venimos estudiando hace un par de años. Sin embargo esta relación SPAD-TCARI/OSAVI, no siempre se da en la misma proporción. En otros casos analizados, en el cual los datos no se presentan en este trabajo, la relación se da pero en otra simetría. Por lo tanto hay que seguir reuniendo
datos a fin de poder entender mejor la relación entre estos índices, y llegar a elaborar en lo posible un índice que cubra la mayoría de las situaciones que podamos encontrar a campo, como ocurre con el NDVI y rendimiento.
Relacion SPAD / Tcari-Osavi 55 50
SPAD
45
R² = 0,7409 R² = 0,7051
40 35 30 25 20 0,000
0,050
0,100
0,150
0,200
0,250
0,300
TCARI/OSAVI La Benigna
Campo B
Polinómica (La Benigna)
Polinómica (Campo B)
Pablo C. Ginestet
[email protected]
Enlaces a trabajos complementarios https://www.dropbox.com/s/owm7a8nmofz1vvp/Estimacion%20de%20Rinde%20en%20trigo% 20mediante%20Sensores%20Remotos.pdf?dl=0 https://www.dropbox.com/s/jc9f1ef7c9av73a/Estimacion%20de%20Rinde%20y%20proteina%2 0en%20el%20cultivo%20de%20trigo%20mediante%20Sensores%20Remotos.pdf?dl=0 https://www.youtube.com/watch?v=QGhy82dsd1k https://www.dropbox.com/s/n8dtvxt4bylj6hv/Ripear_Congreso_AP_2014.pdf?dl=0 https://www.dropbox.com/s/7rqcnt0rr340xeg/Congreso%20AP-%20Estimaciones.pdf?dl=0
ANEXO Mapa de rendimiento obtenido del monitor de la cosechadora
Clorofilometro Minolta 502
TETRACAM MiniMCA 6A
UAV
