Percepción Remota Laser Para Bosques Y
Cultivos En Areas Tropicales De Riqueza Genetica
. Edgardo Gerck
Lásertech S:A:
Campinas, SP, Brasil
Dr. James J. Hurtak
Lásertech S:A:
Los Gatos California USA
RESUMEN:
Se presentan los beneficios de usar percepción remota láser dentro del contexto del reconocimiento de grandes áreas inaccesibles de selvas y cultivos en Sudamérica. La percepción remota láser mejora la tecnología de radar tradicional con el beneficio de la longitud de onda corta, menor divergencias en el haz y en la selectividad de la longitud de onda. En las áreas de interés en Sudamérica hay especies de interés que requieren ser monitoreadas debido a su disponibilidad local o por mostrar importancia genética o por su influencia del suelo. La aplicación de las técnicas de LIF lidar para monitoreo de selvas y cultivos han sido desarrollados en estrecha relación con la gran variedad genética encontrada, por ejemplo, en la Región del Amazonas.
Palabras clave: LIF lidar, SAR, clorofila a
1. INTRODUCCION
La percepción remota óptica para operaciones aéreas se puede utilizar debido a la inducción de una respuesta distintiva a través de una banda ancha o un estímulo selectivo, por el análisis espacial y por el análisis espectral de la luz reflejada.
El monitoreo activo de los cambios ambientales, del contorno terrestre, la abundancia de agua, la temperatura de los gases y la concentración de varias moléculas, nubes y otros parámetros de especial relevancia para los estudios forestales, ha sido desarrollado usando varias técnicas láser. El análisis espacial y multiespectral de datos LANDSAT y SPOT han proporcionado herramientas valiosas de percepción remota para las áreas forestales. (Hurtak, 1986).
Ayudados por estudios de campo, se pueden utilizar ambas técnicas para la clasificación de los principales usos del suelo como son selvas, áreas aclaradas, pastizales, vegetación secundaria. Estas cuatro clases principales presentan además, gran variabilidad y zonas de transición entre ellas. Por ejemplo, un pastizal puede estar formado por una mezcla de pasto, cultivo, suelo y claros. Esta amplia complejidad disminuye el factor de confianza del análisis y eventualmente no permite un análisis detallado, como es la determinación del tipo de cultivo o las especies monitoreadas.
Además hay la necesidad de mas información que la que normalmente un análisis de uso de suelo puede proporcionar. La evaluación de los cultivos, la diseminación de enfermedades de las plantas, el control de cultivos ilegales, la deforestación selectiva, el perfil de abundancia de especies cultivadas y otros datos particulares de la vegetación, que se requieren de manera confiable en periodos de tiempo muy cortos. En la región del Amazonas, la obtención de información detallada de la vegetación es muy variable debido a la alta variabilidad genética que se observa en las mismas especies vegetales. Además la inaccesibilidad y extensión de la mayoría de las selvas y ranchos en el Amazonas demandan el uso de métodos de percepción remota debido a que el estudio de campo no es factible.
Este artículo presenta las técnicas de medición y los beneficios de la percepción remota de información fina de vegetación al usar láseres que inducen fluorescencia (LIF) que tienen selección diferencial y selección de excitación.
2. LUMINISCENCIA VEGETAL 
El láser al inducir fluorescencia en las plantas se puede utilizar para monitorear especies vegetales, a través de las respuestas a diferentes longitudes de onda. Yentsch and Menzel (1963) mostraron que la técnica de fluorescencia se puede utilizar para determinar la concentración de clorofila a en el fitoplankton. El tiempo de fluorescencia es muy corto, es cercano a los nanosegundos. Muchas plantas han mostrado una absorción espectral alta en 430nm - 575nm dentro del espectro visible violeta y azul. La molécula P680 de la clorofila a se detecta entre 650 – 685nm y la respuesta de la fluorescencia se utiliza para medir la eficiencia de la fotosíntesis.
Las plantas también muestran fluorescencia en la presencia de longitudes de onda UV (300-380nm) para pigmentos diferentes a la clorofila a. Las bandas de 530nm – 575nm se utilizan para localizar superficies de suelo desnudo y minerales como es el hierro en rocas y suelo. Las bandas de 770nm – 810nm muestran la organización celular y el contenido de agua.
La clorofila a generalmente presenta una pequeña variación en los diferentes tipos de hojas, además la clorofila se combina con diferentes proteínas para formar cloroplastos teniendo hasta 50 cloroplastos por célula. Existen cuatro tipos de clorofila (a-d), la clorofila b tiene un pico de absorción en la región de 480nm. El contenido en las hojas de los pigmentos carotenoides y antocianinas son relevantes para determinar el tipo de plantas. La presencia de carotenoides aparece a 460 –500nm. La absorción por antocianinas es en una longitud de onda similar de 400 – 550nm, ambas son mas cortas que el pico P680 de la clorofila.
Se conoce que los pulsos visibles de láseres de argón o de colorante con potencia en miliwats excita la clorofila y la ficoeritrina (un pigmento rojo de la ficobilina). La dificultad se presenta al determinar los cálculos para la reflectancia aplicada a la mayoría de las plantas por su complejidad estructural de las diferentes capas (ej. monocotiledóneas, dicotiledóneas) que contienen materiales absorbentes y dispersantes. Willstatter y Stoll (1918) explican la reflectancia de las plantas basados en la luz de la interfase célula-pared-aire del tejido del mesófilo. Otra prueba que se ha propuesto es el tratar a las hojas como un medio turbio de absorción y dispersión (Yamada, 1991) usando la teoría TKM (Teoría Kubelka-Munk) de la modelación de la luz en un objeto de varias capas.
Una hoja de dicotiledónea puede estar compuesta de seis capas: dos capas externas cuticulares cerosas, una capa epidermal superior y otra inferior, una capa de mesófilo y una capa de tejido en palisada. Las capas cuticulares están compuestas de quitina y no contienen pigmentos, aquí no hay absorción, por lo tanto la suma de la reflectancia y transmitancia es igual a la unidad. La capa de tejido en palisada contiene pigmentos y la clorofila esta densamente empacada por lo que presenta dispersión despreciable. La capa del mesófilo contiene los materiales que absorben y dispersan como son la clorofila, y otros pigmentos y donde las células están uniformemente distribuidas, de acuerdo a sus propiedades ópticas particulares. Se obtienen mejores resultados si se analizan juntas la capa del tejido en palisada y la capa del tejido del mesófilo.
Estudios de fluorescencia para cultivos de maíz (monocotiledóneas)
Las monocotiledóneas se diferencian de las dicotiledóneas por tener una mas alta intensidad de fluorescencia a los 440nm que la que se presenta a los 675nm – 740nm para la molécula P680 de la clorofila a. Las evidencias actuales indican que la fluorescencia en el rango 675nm – 740nm permite también determinar diferentes tipos de plantas debido al trabajo de dos diferentes fotosistemas. En uno de los fotosistemas la molécula P680 de la clorofila a, presenta el pico como se ha descrito anteriormente. En el segundo fotosistema el pico de la molécula P700 de la clorofila a parece ser no de una molécula única sino de un dímero de dos moléculas de clorofila a en asociación con proteínas especiales en la membrana. Ambos sistemas pueden encontrarse simultáneamente en una planta.
Se pueden realizar análisis al medir la reflectancia y la transmitancia integralmente sobre un hemisferio en cada longitud de onda. Para la molécula P680 de la clorofila a, se puede utilizar una longitud de onda de 0 (875nm) a x (650nm). Para una mejor determinación del coeficiente de dispersión y la pendiente del pico se deben de utilizar un mínimo de tres bandas cercanas. El rango del pico elimina el efecto de otras clases de materiales reflejantes y absorbentes dentro de la hoja, de este modo se puede calcular el contenido de clorofila por unidad de área.
Los resultados ayudan a confirmar el coeficiente de absorción espectral de la clorofila con picos máximos a 440 y a 680nm, así como el coeficiente de absorción de otros pigmentos contenidos en una hoja.
De acuerdo a Yamada al seleccionar longitudes de onda con altos coeficientes de absorción se pierde exactitud en contenidos altos de clorofila y proporciona exactitud en contenidos bajos de clorofila. Al usar longitudes de onda con coeficientes de absorción bajos, se puede lograr una relativamente baja exactitud sobre los rangos completos.
Los anchos de banda amplios normalmente reducen los errores en las mediciones de reflectancia y transmitancia. Además también se reduce la linearidad entre el coeficiente de absorción y el contenido de pigmentos, especialmente cuando medimos la pendiente del pico (Yamada, 1991).
3. LÁSERES
Los láseres a usar son los láseres de estado sólido como es el Nd:YAG (532nm- 3m) con pulsos de 100 – 200 Hz que proporcionan una medición efectiva de la clorofila a. Se pueden utilizar otras longitudes de onda láser, pero para el lidar aéreo el láser Nd:YAG es el que actualmente ofrece la tecnología mas desarrollada. Los 355nm son lo suficientemente cortos para ser dominados por la dispersión Rayleigh. La longitud de onda de 1064nm es suficientemente larga para ser dominados por las partículas aerosoles dispersadas en la troposfera inferior, con propiedades de ruido pobres disponibles para los detectores APD. La longitud de onda 532nm es apropiada para la dispersión de las moléculas y aerosoles teniendo un buen detector de las características.
Los láseres de excitación por emisión pulsada y los de diodos se pueden utilizar, para proporcionar el radio S/N necesario. Los láseres y el equipo complementario pueden ser ensamblados en unidades de tierra móviles o en equipo aéreo, siempre que sea posible se puede elegir la opción aérea y el equipo se usará en helicóptero o avión y puede ser ligero y firme.
En adición a los láseres de estado sólido, el láser TEA CO2 se puede operar por encima de 11 m a PRF’s superiores a 300 – 400 Hz con pulsos de energía a algunos cientos de mJ.
4. LIDAR PARA PERCEPCIÓN REMOTA AÉREA.
El monitoreo de cultivos y cambios ambientales se puede realizar a través de operaciones aéreas, que proporciona una gran cantidad de usos de vigilancia topográfica lidar basados en una tasa alta S/N. En estudios topográficos o de suelo, cada pulso láser se usa para un rango de medición único y datos de la forma de onda.
Para la interpretación del monitoreo aéreo es esencial la información de altitud para los rangos de medición, obtenidos de la elevación exacta de la superficie y relacionados con los datos correctos de la superficie de la Tierra. La potencia de la señal del altímetro láser, depende del poder del pulso que se reciba de la superficie y la recibida por el telescopio. Los procesos involucrados son ruido óptico y detector de ruido (Bufton, 1991)
Para detectar suelos, vegetación, superficies modificadas por el hombre, el coeficiente de recepción R varia en los diferentes tipos de superficies, pero se puede calcular aproximadamente por Rterreno = / (Reagan, 1991). Donde es la superficie del hemisferio o albedo con un porcentaje de valor del albedo de 4 – 5% para suelos húmedos y 30 – 40% para estructuras densas. Los árboles y cultivos tienen un valor de albedo de 15% para longitudes de onda de 532nm y 60% para 1064nm. Utilizando dos o tres pulsos transmitidos simultáneamente y detectados en orden para obtener los perfiles de recepción de estas longitudes de onda.
5. TÉCNICA DE DETECCIÓN DIFERENCIAL SAR
Durante los eventos de medición, las plantas son selectivamente excitadas por una emisión láser de banda angosta y fluoresce. La intensidad depende de la banda de fluorescencia y es posible medir el tiempo de decaimiento de la fluorescencia.
Debido al movimiento relativo entre la fuente y el blanco y debido a la naturaleza no especular de la fluorescencia, si la radiación de fluorescencia es colectada por un detector linear, el campo total es muy bajo.
Así mismo, si el método de detección no es compensado por el viento, la humedad, la fluorescencia recibida de las especies no buscadas, el ángulo de absorción, etc., las mediciones obtenidas son enmascaradas por importantes factores de calibración que varían en el tiempo y dependen del clima.
El método LIF propuesto inicialmente en este artículo, propone resolver estos problemas por la combinación de señales de Radar de Apertura Sintética (SAR) procesadas con mediciones fluorescentes diferenciales.
Análogo al SAR, el receptor tiene un arreglo bi-dimensional de puntos detectores, conectados (en paralelo en cada fila y con una computadora controlada con atraso para cada fila) a una serie de unidades sumadas que claramente agrega la intensidad luminosa recibida en cada punto a un punto posterior en tiempo. La relación es mantenida entre la velocidad de la fuente-blanco y sumando los puntos logrando una sincronía entre el tiempo de búsqueda y las áreas buscadas en el blanco. Esta técnica es similar a la conocida como Retraso de Tiempo e Integración (TDI), actualmente es una técnica común para el proceso de señales para detectores CCD (EGG&G, Sierra Scientific y DALSA son los principales productores) en bajo nivel de luz, con sistemas de inspección móviles. La analogía con el SAR es el incremento efectivo del área del detector (antena), por el procesamiento de la señal. La suma de la intensidad es realizado inmediatamente en la detección y la tasa S/N no es influida grandemente por los procesos posteriores.
Después de la detección tipo SAR (con el proceso de señal linear), las señales están disponibles en varias bandas como una función de la amplitud de búsqueda del blanco para cada vuelo por coordenadas. Estas bandas con seleccionadas para proveer una variedad de combinaciones diferenciales que solamente pueden identificar especies particulares por el espectro fluorescente. Con el tiempo de análisis de las combinaciones diferenciales (basadas en el tiempo de vida de la fluorescencia de cada banda seleccionada para las especies particulares), se añade posteriormente un factor de discriminación como una correlación de tiempo para cada señal diferencial en pares. Los datos de la correlación de tiempo reduce la función de búsqueda del blanco, en la cual el nivel de confianza es de 0% a 100% de encontrar las especies particulares en el blanco. La resolución espacial es un cambio entre la sensibilidad y el ruido de recepción y puede ser ajustado al añadir juntas una o mas líneas en cada fila.
Los experimentos actuales a los cuales se puede aplicar la técnica anterior se debe hacer bajo tres pasos principales: (1) Modelar el método y calcular los parámetros actuales láser/detector/electrónica; (2) Medir los varios espectros diferenciales en el laboratorio para las plantas características de interés; y (3) Establecer un sistema para uso móvil o aéreo. El primer paso debe iniciarse junto con algunas mediciones de prueba.
6. DISCUSIÓN
Este artículo ha presentado un método de alta sensibilidad para detectar especies vegetales en áreas de riqueza genética, con una técnica LIF. El método esta basado en el incremento de la tasa S/N inmediatamente a la recepción por adición de intensidades multiespectrales fluorescentes, banda por banda y por la realización de una escala de correlaciones cruzadas de las señales dependientes del tiempo, que consideran la dinámica de los canales en decaimiento. La señal resultante esta en función de la amplitud de búsqueda cubierta por el avión después de establecer las coordenadas y representa una serie de niveles de confianza de encontrar las especies a lo largo de la línea de vuelo.
La aplicación de esta técnica puede llevar a un mejor control legal de los eventos presentes como son cultivos ilegales y deforestación clandestina, así como la implementación de planificación agrícola y de la estimación de las cosechas.
BIBLIOGRAFÍA
1. Bufton, Jack ll. Et al 1991. Airborne lidar for profilling of surface topography. Optical Engineering 30(1): 72-77.
2. Ford, John et al. 1986. Satellite Radars for Geological Mapping in Tropical Regions. Presented at the 5th Thematic Conference “Remote Sensing for Exploration Geology”. Reno, Nevada.
3. Hurtak, James. 1986. Airborne and Spaceborne Radar Images for Geology and Environmental Mapping in the Amazon Rainforest, Brasil. Symposia Latino Americano de Sensoramiento remoto, Vol 1. Gramado, Rio Grande do Sul, Brasil.
4. Reagan, John et al. 1981. Spaceborne lidar remote sensing techniques aided by surface returns. Optical Engineering 30(1): 98-101.
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6. Yentsch and Menzel. 1963.
7. Willstaller and Stoll 1918.
