Introducción

La aplicacion CULTIVA 4.0 esta orientada a obtener de manera sencilla y rápida datos de humedad de la superficie y de vigor de la vegetacion a partir de imagenes del satelite Sentinel 2B de la Agencia Espacial Europea. A continuación se describe las partes que componen a CULTIVA 4.0, su funcionalidad y propósito. La aplicacion consta de dos areas principales;

1.- Una ventana de visualización donde se presentan diferentes capas de informacion, con los siguientes elementos;

• Cursor central amarillo
• Parcela seleccionada
• Selector de capas
• Herramienta de Zoom

2.- Un área de datos y gráficos que muestran las características de la vegetación y suelo según la interpretación de la Firma Espectral de manera interactiva. Está compuesta por los siguientes elementos:

• Gráfico de la Firma Espectral y su interpretación
• Gráfico histórico de la evolución del Vigor de la vegetación según el índice NDVI
• Gráfico histórico de la evolución del Estrés Hídrico de la vegetación según el índice MSI
• Otros Datos
• Valores de los índices NDVI, NDII, MSI, ARVI del punto sobre el que se encuentra el Cursos Central
• Datos principales del SIGPAC la parcela seleccionada
• Datos de las coordenadas del punto sobre el que se encuentra el Cursos Central

Elementos de CULTIVA 4.0:

1.- Cursor central:

Se activa al mantener presionado el botón izquierdo del ratón y está representado por un cuadrado amarillo y es a traves de éste que podemos obtener la siguiente información:

• Firma Espectral
• Análisis de la Firma Espectral
• Valores históricos del vigor de la vegetación y estrés hídrico de ese punto en particular
• Valor numérico de los índices NDVI, NDII, MSI, EVI y ARVI,
• Coordenadas tanto en UTM como en coordenadas geográficas

Al desplazarse por la ventana con el botón izquierdo presionado se irán actualizando en línea la Firma Espectral y su análisis, así como todos los datos de históricos, de índices y de coordnadas.

2.- Parcela seleccionada:

Si el cursor se desplaza por la ventana sin mantener presionado ningún botón, se activará la parcela (cambiará el polígono a amarillo) sobre la cual se ubica éste y mostrará los siguientes valores:

• Valores medios históricos del vigor de la vegetación y estrés hídrico de la parcela
• Datos del sistema SIGPAC de la parcela

Adicionalmente, si se presiona una vez sobre la parcela seleccionada, aparecerá la opción de generar un reporte.

3.- Selector de capas

En la interfase gráfica de OpenLayers, es posible a través del botón ubicado arriba y a la derecha, activar y/o desactivar la visibilidad de algunas de siguientes capas:

• Índice de estrés hídrico (MSI)
• Índuce Normalizado de la Vegetación (NDVI)
• Falso color verdadero (RGB)

Sin embargo, las siguientes capas siempre estará activa su visibilidad;

• Capa vectorial de parcelas
• Falso color verdadero a partir de la bandas sentinel de la última adquisición

Índice de estrés hídrico (MSI) Contiene el índice de contenido de humedad de la superficie. Está representado en gradientes de azul que van de tonos claros a tonos oscuros, asociados estos ultimos al mayor contenido de humedad. Aquellas áreas con escaso contenido de humedas en la superficie no se representan, quedando de esta manera invisibles o transparentes en la ventana de visualización.

Índuce Normalizado de la Vegetación (NDVI) El Indice de Vegetación Normalizado (NDVI) coloreado de tal manera que en tonos que van del amarillo al rojo están representados aquellas superficies desprovistas de vegetacion (pej suelos desnudos, edificaciones carreteras) y, en tonos que van de un verde claro a un verde oscuro e intenso, aquellas superficies que contengan vegetación acogiéndose a los tonos verdes oscuros e intensos aquellos con mayor vigor asociado principalmente a la estructura celular de las hojas.

Falso color verdadero (RGB) La imagen en Falso Color Verdadero del satélite Sentinel, de la más reciente fecha de adquisicion que ha sido procesada en CULTIVA 4.0. Esta imagen tiene una resolución espacial de 20 m y nos ofrece la información correspondiente al rango visible del espectro electromagnetico. De tal manera que podemos reconstruir el color o pigmentación predominante en la superficie de 20x20m captada.

Nota para la interpetación visual y analítica de los datos mostrados:
Por lo tanto, en aquellos cultivos continuos ( arroz, hortalizas, etc) la información será más precisa que en una quw existan espacios entre las especies (olivos, almendros, etc.). Sin embargo esta "posible" limitante en culrivos discontinuos o heterogéneos podrá compensarse mediante el estudio a través de Indices de Vegetacion que reduzcan el "efecto suelo".

4.- Zoom:

Esta es la herramienta para acercar y alejar que ofrece OpenLayers y que complementa las acciones de desplazamiento propias del ratón.

5.- Gráfico de la Firma Espectral y su interpretación:

El gráfico de la Firma Espectral es dinámico y obtiene sus valores a partir de la ubicación del Cursor central. Los datos son tomados de la imágen de satélite más reciente procesada por CULTIVA 4.0 y representados en una curva de color verde oscuro.

Presenta una curva característica en verde claro, de una vegetación sana para uso referencial.
La región correspondiente al visible está coloreada según la longitud de onda.

Interpretación (Caso Vegetación):

Primer sector: Visible
La respuesta radiométrica característica de la vegetación en el sector visible, arroja información acerca de la pigmentación de la hoja. La presencia o ausencia de la pigmentación roja y verde en una hoja es debida a su evolución del crecimiento así como en otros casos es ocasionada por la presencia de alguna enfermedad. Por lo tanto al observar este segmento habrá que detallar si existe una gran cantidad de respuesta en el verde lo que nos daría una idea de su salud y si observamos una cantidad reducida de respuesta en el rango correspondiente al rojo que nos daría información sobre la cantidad de presencia de clorofila.

Conclusión: Vegetación sana ó joven => Verde -> mayor / Rojo -> menor.

Segundo sector: Infrarojo cercano (SWIR)
Este sector invisible para la vista humana ofrece información acerca de la estructura interna de la hoja. Esto es debido a que al haber mayor presencia del mayor número de células en la hoja, la energía proveniente del Sol en esta longitud de onda será menos absorbida por ésta, y por ende tendremos un valor más elevado en las bandas de este sector. En el caso de hojas con un menor número de células, bien sea por enfermedad ó alguna condición como el estrés hídrico, entonces esta energía sería más absorbida y obtendríamos un menor número de reflactancia en estas bandas.

Conclusión: Vegetación sana ó joven => SWIR -> mayor.

Tercer sector: Infrarojo medio y lejano (LWIR)
Este sector también invisible al ojo humano comunmente se analiza para el contenido de humedad de la vegetación y del suelo. Su reflactancia está asociada a la presencia de moléculas de agua en la superficie. Es decir, al tener una superficie una mayor cantidad de moléculas de agua, la energía del Sol emitida en esta longitud de onda es mejor absorbida y por lo tanto, la respuesta obtenida en las bandas correspondientes es menor.

Conclusión: Superficie húmeda => LWIR -> menor.

A la deracha se visualiza otro gráfico en el que se simplifica también todo este análisis. Este grafico está subdividido en los tres aspectos antes descritos de pigmentación, estructura y humedad.

6.- Gráfico histórico de la evolución del Vigor de la vegetación según el índice NDVI:

Un excelente análisis enfocado a la gestión del cultivo de una parcela parte de analizar la evolución del vigor de la vegetación durante un año y deducir así;
Análisis por parcela:

• Fecha de comienzo de siembra
• Fecha de recolección
• Velocidad de crecimiento
• Intensidad de crecimiento
• Presencia de alguna anomalía en el crecimiento
• Determinación del mejor momento de siembra (Contrastando con la humedad y valores meteorológicos)
• Determinación del mejor momento de cosecha (Contrastando con la humedad y valores meteorológicos)

Análisis por cursor central:

• Evaluación de la evolución de la vegetación en zonas problematicas
• Detección de algun problema de crecimiento ó enfermedad presente en los últimos 12 meses
• Ubicación de puntos con una crítica relación Estrés Hídrico - Vigor
• Determinación de zonas de mejor y/o peor crecimiento dentro de una parcela

7.- Gráfico histórico de la evolución del Estrés Hídrico de la vegetación según el índice MSI:

Este gráfico muestra la evolución del Estrés Hídrico analizandolo a partir de los valores de contenido de humedad calculados con el índice MSI (Moisture Index).

La revisión en detalle de este gráfico puede ser utilizada para: Análisis por parcela:

• Exceso de humedad en algunos períodos
• Escasez de humedad en algunos períodos
• Comienzo de riego
• Fin de riego
• Intensidad de crecimiento

Análisis por cursor central:

• Evaluación de sectores mejor/peor regados durante algún período
• Análisis de diferencias en el drenaje dentro de una parcela
• Eventos particulares como inundaciones en alguna fecha

Para un análisis más completa de recomienda analizar estos útimos dos graficos en conjunto con variables meteorológicas. Esta posibilidad se encuentra en la generación de reportes.

8.- Tabla con los índices NDVI, NDII, MSI, EVI, ARVI:

En grupo de tablas ubicadas en la derecha de la interfase tenemos en la parte superior los valores correpondientes a varios índices que son calculados en tiempo real sobre la ubicación del cursor central y son los correspondientes a la mas reciente imágen del satélite Sentinel procesada;

Índice Normalizado de la Vegetación (NDVI). Este es el índice de vegetación más conocido y utilizado, es sencillo pero efectivo. Es un indice de Vegetación que sirve para cuantificar la vegetación. Normaliza la dispersión de las hojas verdes en la absorción de clorofila y la longitud de onda del infrarrojo cercano en la longitud de onda roja.

El rango de valor de un NDVI es -1 a 1.

• Valores negativos de NDVI (valores aproximados a -1) corresponden al agua.
• Valores cercanos a cero (-0,1 en 0,1) generalmente corresponden a áreas estériles de la roca, arena o nieve.
• Valores Positivos Bajos representan arbustos y pastizales (aproximadamente 0,2 a 0,4).
• Valores Positivos Altos indican bosques templados y tropicales (valores a 1).

Indice Normalizado de Diferencia del Incremento de la Vegetación (NDII). El Índice Normalizado del incremento de la vegetación de diferencia normalizada, utiliza una formulación de la diferencia normalizada en lugar de una simple relación. Es una medida de reflectancia, sensible a los cambios en el contenido de agua de pabellones de la planta. Los valores del índice aumentan con el aumento de contenido de agua. Aplicaciones agrícolas gestión, monitoreo, cobertura del bosque o cultivo, detección de la vegetación estresada.

Los valores de este índice entre -1 y 1.

La gama común de vegetación se encuentra entre valores de 0.02 a 0.6.

Índice de Humedad Superficial (MSI) La MSI es una medida de reflectancia, sensible a los aumentos en el contenido de agua de la hoja. Con el aumento de agua contenido de hojas en cubiertas de vegetación aumenta también la fuerza de absorción alrededor de 1599nm. La absorción en valores cercanos a 819nm se utiliza como referencia, ya que son poco afectadas por variaciones en el contenido de agua.

Aplicaciones del índice MIS incluyen análisis del Estrés Hídrico de la vegetación, predicción de la productividad y modelado, análisis de condición de riesgo de incendio y estudios de la fisiología del ecosistema. Este índice está invertido en relación con otros índices de vegetación de agua; los valores más altos indican mayor estrés hídrico y menor contenido de agua.

Los valores de este índice entre 0 y más de 3. El rango común para vegetación es 0.4 a 2.

Indice de Vegetación Mejorado (NDVI). En áreas de densa covertura donde índice de área foliar (IAF) es alta, los valores NDVI pueden mejorarse mediante el aprovechamiento de la información en la longitud de onda azul. Información en esta parte del espectro puede ayudar correctos para las señales de fondo suelo e influencias atmosféricas.

El rango de valores para el EVI está -1 y 1, donde la vegetación saludable generalmente cae entre los valores de 0.20 a 0.80.

Indice de Vegetación Admosfericamente Resistente (ARVI). El ARVI es más útil en las regiones de contenido alto aerosoles atmosféricos. Funciona mediante el uso de medidas de reflectancia en las longitudes de onda azul para corregir para los efectos de dispersión atmosférica que registran en el espectro de reflectancia roja.

El rango para el ARVI es -1 a 1 donde la vegetación generalmente cae entre los valores de 0.20 a 0.80.

Índice de vegetación ajustado al suelo (SAVI).
El SAVI combina las reflectancias captadas en el infrarrojo cercano y rojo, los mismos del NDVI, y utiliza un factor de corrección del efecto suelo llamado “línea de suelo”, el valor de este parámetro L es 0.5 Este índice trata de corregir el efecto del suelo en el valor del índice. Es propio para zonas áridas.

9.- Tabla con datos principales del SIGPAC de la parcela seleccionada:

Esta tabla los datos más relevantes correspondientes a la parcela seleccionada en el cursor:

• Código de Recinto
• Código de Parcela
• Porcentaje de regadío
• Área en Hectáras
• Pendiente en porcentaje
• Uso de la tierra

10.- Tabla con las coordenadas del punto sobre el que se encuentra el Cursos Central:

Los valores de las coordenadas son las correspondientes a la del cursor central en amarillo. Se presentan en los sistemas:

• UTM EPSG 23030
• Geográficas EPSG 4326

Generación de reportes

La opción de generar reportes se activa al hacer click sobre una parcela en particular que se activará automaticamente. Al aceptar la opción se abrirá una nueva ventana con el contenido del reporte por parcela.

En este reporte se complementan los datos obtenidos y procesados del satélite Sentinel 2B con los datos de la Agencia Española de Meteorología (AEMET) para así realizar análisis más complejos sobre la evolución de los cultivos, detección de anomalías, seguimiento de Estrés Hídrico entre otros. El reporte tiene la opción de generar una imagen para luego ser impresa.