Implementación de tecnologías y aplicaciones de bajo costo para el estudio de la fisiología de especies arbóreas del trópico mesoamericano como herramienta para su conservación

Abstract

El proyecto abordó el problema del alto costo de la instrumentación y la posibilidad de generar soluciones tecnológicas propias. El objetivo fue el diseño y elaboración de un dispositivo de bajo costo y con alta precisión para estudiar atributos fisiológicos y anatómicos de especies arbóreas en el trópico por medio del análisis de datos hiperespectrales. La primera etapa consistió en el diseño de un prototipo de instrumento para obtener la firma hiperespectral de una especie a partir de sus hojas, con una precisión mínima del 93%. La segunda etapa se orientó a la construcción de un sistema electrónico de bajo costo para procesar una imagen fotográfica del patrón de difracción de la luz sobre la hoja de un árbol. Finalmente, la tercera etapa se concentró en escoger un modelo de inteligencia artificial que permitiera estudiar características ecofisiológicas de un grupo de especies forestales a partir de la información obtenida en la firma hiperespectral. Sobre la aplicabilidad de la solución tecnológica creada, se estudiaron los índices de vegetación obtenidos en campo y las estimaciones mediante VANTs y con imágenes satelitales Sentinel 2 para la predicción de la productividad de plantaciones de teca. (Tectona grandis). Por otra parte, se realizó el primer abordaje de las aplicaciones de la biomimética a partir de los resultados del estudio de la fisiología y de las estructuras de las hojas. La conclusión general de este proyecto es que la obtención, procesamiento y análisis de firmas hiperespectrales a partir del desarrollo de sistemas empotrados de bajo costo es factible y representa una poderosa herramienta para la conservación y desarrollo sostenible de especies forestales, ya que facilita a investigadores, estudiantes y profesionales en el campo del manejo de los recursos naturales la toma de decisiones sobre productividad de cultivos y la sustentabilidad de la producción. Los estudios del uso de la firma hiperespectral mediante la interpretación a través de índices representa una gran oportunidad para aplicaciones en el campo de la nutrición, relaciones hídricas y el estado fisiológico de los árboles y plantaciones.

The project addressed the problem of the high cost of instrumentation and the possibility of generating proprietary technological solutions. The objective was to design and develop a low-cost, high-precision device to study physiological and anatomical attributes of tree species in the tropics by analyzing hyperspectral data. The first stage consisted of the design of a prototype instrument to obtain the hyperspectral signature of a species from its leaves, with a minimum accuracy of 93%. The second stage was oriented to the construction of a low-cost electronic system to process a photographic image of the diffraction pattern of light on the leaf of a tree. Finally, the third stage focused on choosing an artificial intelligence model to study the ecophysiological characteristics of a group of forest species from the information obtained in the hyperspectral signature. Regarding the applicability of the technological solution created, the vegetation indexes obtained in the field and the estimations by means of UAVs and Sentinel 2 satellite images were studied for the prediction of the productivity of teak (Tectona grandis) plantations. On the other hand, the first approach to the applications of biomimetics was made based on the results of the study of the physiology and structures of leaves. The general conclusion of this project is that obtaining, processing and analyzing hyperspectral signatures from the development of low-cost embedded systems is feasible and represents a powerful tool for the conservation and sustainable development of forest species, since it facilitates researchers, students and professionals in the field of natural resource management to make decisions on crop productivity and production sustainability. Studies of the use of hyperspectral signatures through the interpretation of indices represent a great opportunity for applications in the field of nutrition, water relations and the physiological state of trees and plantations.