16 de Abril de 2020
Noticia

Escáner Láser Terrestre (ELT) y Vehículos Aéreos No Tripulados (VANTs): Nuevas tecnologías para la caracterización de la estructura de bosques

La caracterización estructural de los bosques –la cuantificación de la altura de los árboles, cobertura de copas, distribución de biomasa por estratos, diámetro de fuste, etc.- es materia de investigación de ingenieros forestales y biólogos desde hace siglos.

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La caracterización estructural de los bosques –e.g. la cuantificación de la altura de los árboles, cobertura de copas, distribución de biomasa por estratos, diámetro de fuste, etc.- es materia de investigación de ingenieros forestales y biólogos desde hace siglos. La estructura puede caracterizarse según su composición (qué hay y cuánto) y su configuración en el espacio (cómo está dispuesto). Estas mediciones son necesarias para la estimación de biomasa, reservas del carbono, calidad del hábitat y biodiversidad, y para el desarrollo de estudios de dinámica de fuegos, productividad, sucesión ecológica y otros análisis forestales. Sin embargo, esta información es, por lo general, escasa debido a la complejidad de la estimación de los atributos estructurales. Afortunadamente, recientes avances tecnológicos nos permiten superar esas dificultades y medir con precisión, de forma sistemática y automatizada numerosas variables estructurales de los bosques. 

Esta nota describe la utilización de Vehículos Aéreos No Tripulados (VANTs) y de un escáner láser terrestre (ELT) para generar una biblioteca estructural de bosques nativos. Una vez finalizada, el acceso a la biblioteca será libre de manera de garantizar el máximo aprovechamiento de este emprendimiento que involucró numerosas instituciones públicas (INIBIOMA, CIEFAP, IMASL, e INTA). Por ejemplo, contar con una colección georreferenciada de representaciones 3D de bosques localizados a lo largo de un gradiente ambiental en la región chaqueña puede contribuir a mejorar nuestro entendimiento de la relación entre la estructura y el funcionamiento de los bosques, el proceso de degradación de los bosques chaqueños, y de los controles físicos y culturales de la acumulación de C, entre otros aspectos. A su vez, esta biblioteca podrá ser utilizada para calibrar y validar modelos que permitan estimar atributos estructurales a partir de, por ejemplo, la información provista por la Misión SAOCOM de CONAE, potenciando así las implicancias de este trabajo.

A continuación se describen los fundamentos del funcionamiento de los VANTs y el ELT, el diseño de medición, los resultados preliminares y los siguientes pasos. Ninguna de estas actividades se podría haber llevado a cabo sin la excelente predisposición del Dr. Esteban Balseiro (INIBIOMA), Dr. José Daniel Lencinas (CIEFAP), y del Dr. Víctor Cussac (CCT-Patagonia Norte) que nos dieron el permiso para usar el ELT, así como también de numerosos productores, profesionales y extensionistas del INTA que, de manera desinteresada, nos ayudaron en el campo. 

¿Qué es y cómo funciona un VANT?

Los VANTs son aeronaves que pueden realizar vuelos, de manera manual o programada, sin tener un piloto humano a bordo. Existen muchos y distintos tipos de VANTs. Se pueden clasificar, en primera instancia, como aerostatos o aerodinos, dependiendo de si son más livianos o más pesados que el aire respectivamente. Ejemplos de aerostatos son los dirigibles y globos aerostáticos. Los aerodinos pueden clasificarse, en segunda instancia, como de ala fija o de alas rotatorias. En este trabajo se utilizaron los llamados “drones” que son VANTs de 4 alas rotatorias (cuadricópteros) que cuentan, en este caso, con una cámara RGB ensamblada (ig 1).    

Con los dos drones se realizaron vuelos planificados y automatizados en los que se tomaron imágenes de los bosques desde diferentes posiciones. Mediante técnicas de fotogrametría, se procesaron las imágenes para crear una nube tridimensional de puntos (modelo 3D) que representa la disposición en altura de las copas y vegetación de sotobosque. A partir de ella se generan distintos Modelos Digitales de Elevación (MDE) de los bosques.

En nuestro trabajo, por las limitaciones de batería propias de los modelos utilizados, las parcelas voladas tienen un tamaño aproximado de 120 x 120 m, y un tamaño de píxel medio de 3 cm. 

 Fig 1. Los dos VANTs con los que realizamos las mediciones.

 

 

¿Qué es y cómo funciona el ELT?

El ELT es un LIDAR (del inglés, Light Detection and Ranging) utilizado para recopilar información de alta resolución sobre la estructura y distribución de los objetos en el espacio (Kennaway et al., 2008). Este dispositivo consiste en un espejo rotatorio y un generador de un haz láser montado en un trípode como los que se usan en fotografía (Fig. 2). Así, el ELT emite un pulso de luz láser que el espejo re-direcciona cubriendo 360° en el plano horizontal y vertical. Al registrar el tiempo que tarda en regresar la señal luego de interactuar con cada objeto en cada posición del espejo, el ELT puede generar una nube de puntos que describe las posiciones en coordenadas de 3 dimensiones (X, Y y Z) del material con el cual interactuó el haz. Cuando se lo utiliza en bosques, el ELT describe la disposición de todo elemento presente en dicho espacio, incluyendo suelo, pastos, arbustos y árboles. El ELT, en este caso utilizamos un FARO Focus 3D X 130, genera la nube de puntos con una precisión de 4 mm a 10 m de distancia.

Una de sus pocas desventajas es que el escáner no puede “ver” detrás de los objetos, por lo tanto en bosques con alta densidad de biomasa, hay oclusión y sólo se pueden registrar los objetos directamente más próximos al escáner. Es por ello, que se realizaron escaneos desde múltiples posiciones, y de esta forma, es posible unir las nubes de puntos para generar una representación tridimensional de la mayoría de los objetos en el espacio. A partir de esta nube de puntos se puede identificar la configuración de la vegetación (disposición y orientación de troncos y ramas) y sus dimensiones, pudiéndose estimar la altura, diámetro de fustes y ramas, el tamaño de la copa de los árboles y con mayor detalle la estructura del sotobosque y el estrato herbáceo.

Salvo las dificultades de acceso a las parcelas, notablemente, esta tecnología involucra un menor trabajo a campo (cada escaneo se realiza en unos pocos minutos) y los datos obtenidos en los relevamientos pueden servir como inventarios forestales, como verdad terrestre para calibrar y validar modelos alométricos e incluso estimaciones realizadas con sensores remotos. El tamaño de las áreas relevadas fue variable según la cantidad de biomasa presente, ya que ésta determina el grado de ocultamiento.

Así, el ELT describe al detalle la cantidad y disposición espacial de la vegetación por debajo de dosel, mientras que los drones hacen algo similar -y con menor detalle- de la parte superior del dosel.

 Fig. 2: Equipo ELT en una parcela

 

 

Campañas de medición

Durante 2018 y 2019 se realizaron 5 campañas de medición en bosques en diferente estado de conservación y bajo diferentes manejos en la región chaqueña (Fig.3). La selección de los sitios se distribuyó entre las diferentes unidades biogeográficas de la región buscando representar la heterogeneidad del ambiente físico (régimen térmico, disponibilidad de agua, características edáficas), geográfico y humano (estructura del paisaje, tipos de uso) y productivos (a partir de índices de vegetación provistos por imágenes satelitales). Gestionar los accesos a los sitios seleccionados fue un desafío en gran parte resuelto gracias a distintos referentes de INTA, quienes nos contactaron con los productores y nos guiaron por las zonas.

En total se realizaron 195 vuelos con VANTs y 60 sitios de escaneo con ELT en las provincias de Santiago del Estero, Chaco, Formosa, La Rioja, San Luis y Catamarca. En la Fig. 3 pueden observarse los sitios donde se realizaron vuelos de drones y donde se realizaron ambos relevamientos (drones+ELT). Debido a la escala y a la cercanía entre algunos sitios, algunos puntos se encuentran solapados en el mapa.



Fig. 3: Mapa representando las ecorregiones (Oyarzabal et al. 2018) utilizadas para la selección de los sitios, y los sitios que fueron relevados con ELT y dron (círculos rosas) o sólo con drones (círculos amarillos).

 

 

Los primeros resultados

 

A partir de las imágenes obtenidas en los vuelos (entre 250 y 350 imágenes por vuelo) se realiza la construcción de un modelo 3D (ver video1), de distintos Modelos Digitales de Elevación (MDE) y de un ortomosaico (Fig.4 arriba). Estos MDEs incluyen el MDS (Modelo Digital de Superficie), el MDT (Modelo Digital del Terreno) y el MDV (Modelo Digital de la Vegetación). El MDS brinda la altura del modelo 3D (suelo o vegetación), el MDT brinda la altura del suelo, y el MDV es la diferencia entre el MDS y el MDT, y brinda la altura de la vegetación (Fig.4 abajo). Con los MDV, ya sean estos generados por los drones o por el ELT, se puede obtener la cobertura de la vegetación a distintas alturas. 

 Video de un modelo 3D construido a partir de las imágenes obtenidas con el dron

 

 

Fig. 4: Ortomosaico -arriba- y Modelo Digital de Vegetación -abajo-, generado con las imágenes tomadas con un dron donde se observa la altura de la vegetación en diferentes colores. Este sitio presenta dos manejos: con rolado (parcela izquierda) y sin rolado (parcela derecha). 


 

Los productos que pueden derivar de los datos del ELT son múltiples. Se puede trabajar con la nube de puntos entera (ver video 2 y Fig.5), obteniendo así MDEs, rasters de altura (máxima –MDV-, mínima –MDT-, promedio, percentiles) (Fig.6), rasters de densidad de puntos en determinada altura del perfil, cobertura de copas, volumen total, etc. O se puede trabajar con una segmentación de la nube, separando nubes de árboles individuales (Fig.7) para obtener DAP, altura de fuste, área de copas, volumen del fuste y otras variables por individuo.

A partir de una nube de puntos y mediante la utilización de software específicos, se pueden obtener las siguientes métricas de distribución de altura: elevación máx., mín., media, moda, CV, desviación estándar, percentiles, nro. de puntos por encima de la media, porcentaje y nro. de puntos por distintos estratos (por debajo de 0.15 m, entre 0.15 y 1.37, de 1.37 a 5, de 5 a 10, etc.).

 Video de un modelo 3D construido con la nube de puntos proveniente del ELT.

Fig. 5. Vistas laterales del resultado del procesamiento de la nube de puntos 3D generada por el ELT. El color de la primera imagen está proyectado a partir de las fotografías digitales obtenidas durante el escaneo. Los colores de la segunda imagen corresponden a distintos escaneos. Una vez generado el modelo 3D se puede hacer presencia virtual desplazándose por el bosque. 

 

 

 

Fig. 6: Modelo Digital de Vegetación (MDV - representada en colores y en metros) de una parcela, construido con los datos del ELT. Resolución espacial 0,5 m.


Fig. 7. Modelo 3D de árbol aislado de la nube de puntos obtenida con TLS.


 

 

Futuros pasos

Lo aquí presentado se encuentra enmarcado en el doctorado de Antonella Ferraina, en el proyecto “Cuantificación y monitoreo de los servicios ecosistémicos como base para el Ordenamiento Territorial en la región Chaqueña.” (PICTO-2014) y en el proyecto MapBiomas (INTA - The Nature Conservancy). En todos ellos resulta central realizar una detallada caracterización de la estructura de los bosques a lo largo del gradiente ambiental presente en el Chaco. El objetivo de la tesis doctoral de la Lic. Ferraina es analizar la relación entre la estructura y el funcionamiento de los bosques de la región chaqueña a partir de la estimación de la cobertura de copas, la altura y la distribución de la biomasa vegetal entre estratos de los bosques. A su vez, el objetivo de MapBiomas es generar la cartografía de uso y cobertura del suelo de la región Chaqueña mediante imágenes satelitales Landsat y requiere distinguir bosques según su cobertura de copas y eventualmente su altura.

En estas ocasiones las campañas fueron focalizadas en la región chaqueña debido a los proyectos en los cuales se enmarcaron, pero también se prevé realizar nuevas campañas en bosques de distintas ecorregiones de Argentina (e.g. Patagonia) para aportar al desarrollo de la biblioteca estructural de bosques argentinos.

En los próximos meses se obtendrán nuevos resultados sobre la estructura de los bosques nativos chaqueños y su relación con el manejo y el gradiente ambiental.

 

¡Muchas Gracias!

La concreción de las mediciones a campo implicó la importante labor de gestionar el acceso a sitios de bosque definidos de antemano que cubran de forma homogénea el Chaco semiárido. Para ello fue fundamental la colaboración de los siguientes profesionales de INTA y otras instituciones:

-Córdoba: los Ing. Agr. Carlos Carrasco (AER Villa Dolores) y Daniel Herrera (AER Villa de María);

-San Luis: el Ing. Agr. Francisco Murray (AER San Luis);

-La Rioja: el Ing. Agr. Lisandro Blanco (EEA El Chamical);

-Catamarca: el Ing. Agr. Roque Diaz Bazán (AER La Paz);

-Santiago del Estero: los Ing. Agr. Rafael Piedrasanta (AER Frías), Sebastián Valiente, Omar Puig y Pablo Cejas (AER Bandera), Ariel Tamer (AER Añatuya), J. Marcelo Navall (EEA Santiago del Estero) y Gustavo Gil (AER Monte Quemado);

-Tucumán: las Lic. Roxana Aragón, Lic. Candela Russo y el Ing. Agr. Pedro Fernández (IER);

-Chaco: los Ing. Agr. Edgardo Leonhardt (AER Pampa del Infierno) y Leandro P. Schnellmann (AER J.J. Castelli);

-Salta: el Lic. Fabián Tejerina Días (EEA G.Guemes).

Sin dudas, sin su buena predisposición, ayuda y conocimiento local el relevamiento no hubiese logrado los objetivos previstos.

 

Referencias

Localización geográfica:
Personas mencionadas: