2015 Estimación de Rendimientos y Proteína en Trigo Candeal Utilizando Drones - Ginestet, Pablo C
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2015
Estimación de Rendimientos y
Proteína en Trigo Candeal
Utilizando Drones
Ginestet, Pablo C
pablo@ripear-agro.com.ar
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.
Rindes
Campaña Has
Obtenido Estimado Dif. Kgs Dif. % Desv Est CV
2010-2011 1305 3930 3963 -33 -0.8% 335 8.5%
2011-2012 1478 4781 4842 -61 -1.3% 436 9.1%
2012-2013 1633 4169 4198 -29 -0.7% -29 11.0%
2013-2014 8248 4551 4388 163 3.6% 372 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
Rinde (Kg/Ha) Dif
Parcela Has %
Estimado Real Kgs
1 4.15 3651 3530 -121 -3%
2 3.77 3625 3385 -240 -7.1%
3 2.82 3605 3652 47 1%
4 12.7 3820 3624 -196 -5%
5 5.46 4010 3954 -56 -1%
28.9 3785 3644 -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
45 R² = 0,7051
40
SPAD
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)
Nutrición Rendimiento
nitrogenada Bajo - 30 qq Medio - 40 qq Alto - 50 qq
--- Unidades SPAD --- --- % de Proteína estimada ---
30 8,6 7,7 6,9
32 9,2 8,3 7,5
34 9,8 8,9 8,1
36 10,4 9,5 8,7
38 11 10,1 9,3
40 11,6 10,7 9,9
42 12,2 11,3 10,5
44 12,8 11,9 11,1
46 13,4 12,5 11,7
48 14 13,1 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
Proteína
Parcela Has Dif (%)
Real Estimada
1 4.15 10.8 11.1 -3.3%
2 3.77 10.3 10.71 -4.0%
3 2.82 10.7 11.5 -7.5%
4 12.7 10.9 11.0 -1.4%
5 5.46 10.3 11.01 -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 reuniendodatos 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
R² = 0,7409
50
R² = 0,7051
45
40
SPAD
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
pablo@ripear-agro.com.ar
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=0ANEXO Mapa de rendimiento obtenido del monitor de la cosechadora Clorofilometro Minolta 502
TETRACAM MiniMCA 6A UAV
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