Universidad de Talca Facultad de Ciencias Forestales Escuela de Ingeniería Forestal

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1 Universidad de Talca Facultad de Ciencias Forestales Escuela de Ingeniería Forestal ANÁLISIS BIBLIOGRÁFICO DE LA GEOMÁTICA Y SU RELACIÓN CON LA AGRICULTURA DE PRECISIÓN ENRIQUE E. OSORIO ALARCÓN. Memoria para optar al título de: INGENIERO FORESTAL Profesor Guía: Dr. CARLOS MENA FRAU TALCA CHILE 2005

2 UNIVERSIDAD DE TALCA FACULTAD DE CIENCIAS FORESTALES. ESCUELA DE INGENIERIA FORESTAL El Sr. Enrique Eduardo Osorio Alarcón, ha realizado la Memoria de Título: "ANÁLISIS BIBLIOGRÁFICO DE LA GEOMÁTICA Y SU RELACIÓN CON LA AGRICULTURA DE PRECISIÓN, como uno de los requisitos para optar al Título de Ingeniero Forestal de la Universidad de Talca, teniendo como Profesor Guía al Dr. Carlos Mena Frau. La comisión de Calificación constituida por los profesores Dr. Carlos Mena Frau y el Dr. Mauricio Ponce Donoso, evaluó la memoria con nota 6,3 (seis coma tres). MARCIA VÁSQUEZ SANDOVAL DIRECTORA ESCUELA DE INGENIERIA FORESTAL Talca, Septiembre de 2005.

3 DEDICATORIA Si haces planes para un año; siembra arroz. Si lo haces por dos lustros; planta árboles. Si los haces para toda la vida; educa a una persona. Así pensaron ellos Esta memoria está dedicada a mis padres, Marina Alarcón y Manuel Osorio, quienes con su apoyo y sacrificio, permitieron darme lo más importante... vida y educación.

4 AGRADECIMEINTOS Agradezco a todos quiénes directa o indirectamente han hecho posible que yo esté escribiendo estas líneas en este momento, en especial a mis padres y a mi familia, que lograron con su esfuerzo mantenerme adelante en esta etapa de la vida. Agradezco además a mi profesor guía, Dr. Carlos Mena, quien junto con encauzar esta memoria, me entregó consejos de incontable valor para ser, más que un profesional, una persona segura y confiada de mis capacidades. Por último quisiera agradecer a todos las personas que logré conocer en esta Universidad, que junto con hacer más grato y ameno el paso por mi educación superior, me permitieron madurar y hacerme más tolerante ante las infinitas y variadas formas de comprender la vida.

5 ÍNDICE RESUMEN SUMMARY Página I. INTRODUCCIÓN... 1 II. OBJETIVO Objetivo General... 3 III. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA Geomática y sus Aplicaciones en Agricultura de Precisión Geomática Teledetección Espacial... 7 a. Sistemas de Detección... 8 i. Sensores Pasivos... 9 ii. Sensores Activos b. Resolución de los Sistemas sensores i. Resolución Espacial ii. Resolución Espectral iii. Resolución Radiométrica iv. Resolución Temporal c. Plataformas de Teledetección Espacial i. Programa Landsat ii. Programa Spot iii. Programa NOAA d. Satélites de Vanguardia i. Ikonos ii. QuickBird Sistemas de Información Geográfica (SIG) a. Componentes de un SIG i. Hardware ii. Software iii. Datos iv. Personal v. Métodos b. Modelo y Estructura de Datos i. Modelo Ráster ii. Modelo Vectorial e. Ventajas del Modelo Ráster y Vectorial i. Modelo Ráster ii. Modelo Vectorial Sistemas de Navegación Satelital... 28

6 a. GLONNAS 29 b. Sistema de Posicionamiento Global (GPS) i. Segmento Espacial ii. Segmento Control iii. Segmento Usuarios c. Fundamentos para el Cálculo de la Posición d. Fuentes de Error del Sistema i. Errores Atmosféricos ii. Errores de Trayectoria Múltiple iii. Errores de Satélite iv. Disponibilidad Selectiva e. Futuro de los Sistemas de Navegación Satelital i. Proyecto GALILEO Agricultura de Precisión Tecnología Involucrada Recolección de la Información a. Sistemas de Navegación Satelital b. Sensores Directos i. Sensor de Compactación del suelo ii. Sensor de Fertilidad iii. Sensor de Caudal iv. Sensor de Malezas c. Sensores Indirectos i. Teledetección Espacial d. Muestreos i. Muestreo Aleatorio Simple ii. Muestreo en Grillas iii. Muestreo estratificado Tratamiento y Determinación de la Variabilidad a. Sistemas de Información Geográfica b. Análisis de la Dependencia Espacial i. Geoestadística Manejo Diferenciado Rentabilidad de la Agricultura de Precisión Aplicaciones en Agricultura de Precisión IV. CONCLUSIONES GENERALES Geomática y Agricultura de Precisión Geomática Agricultura de Precisión Perspectivas de aplicación de AP en Chile Desafíos de la aplicación de AP en Chile V. BIBLIOGRAFÍA.. 76

7 INDICE DE FIGURAS Figura Nº Página 1. Imagen Satelital IKONOS Multiespectral Algunos Satélites de Teledetección Espacial Representación Modélica del Territorio Segmento Espacial del GPS Estaciones de Control del GPS Receptores GPS tipo Navegadores Receptor GPS tipo Geodésico Esquema de Etapas en Agricultura de Precisión Esquema de funcionamiento de la Señal DGPS Algunos Sensores y Equipos utilizados en AP Mapa de Variabilidad Espacial en cultivos Sistema de Banderillero Satelital Equipos para Aplicación Instantánea de Plaguicidas. 66

8 RESUMEN El boyante desarrollo tecnológico que ha surgido en variadas disciplinas del quehacer humano ha permitido entre otras cosas planificar, operar y controlar, en un menor tiempo y a costos más bajos muchas actividades y tareas que antaño resultaban engorrosas y difíciles. En el área de informática y agricultura estos adelantos tecnológicos han sido tales, que hoy en día es posible hablar de una nueva forma de llevar a cabo las prácticas agrícolas, bajo la denominada Agricultura de Precisión que busca determinar la variabilidad espacial y temporal asociada con los cultivos agrícolas, minimizando con esto costos y daños al medio ambiente. Esta forma de manejo agrícola, sin embargo, ha sido posible gracias al desarrollo tecnológico de una serie de ramas de informática y de ciencias de la comunicación, que actualmente suelen agruparse en una nueva ciencia denominada Geomática, que se refiere a una aproximación integrada de mediciones, análisis y manejo de la descripción y localización de datos de la Tierra, a menudo denominados datos espaciales. Dentro de esta disciplina, son tres los elementos que mayor influencia tienen en la Agricultura de Precisión y son además la base de la Geomática. Estos son la Teledetección Espacial, los Sistemas de Información Geográfica y los Sistemas de Navegación Satelital. La descripción y convergencia de estas dos nuevas disciplinas, Agricultura de Precisión y Geomática, juntos con una revisión detallada del funcionamiento, elementos partícipes y beneficios, se entregan a continuación en la presente memoria, con el objetivo de conocerlas con un mayor grado de detalle, para finalmente concluir aspectos de su estado actual y futuro.

9 SUMMARY The great technological development that has arisen in various disciplines of the one that to do human has permitted among others things to plan, to operate and to control, in a smaller time and to lower costs many activities and tasks that long ago turned out to be difficult. In the area of data processing and agriculture these technological advancements have been such, that nowadays is possible to speak of a new form to carry out you practice them agricultural, under it called Agriculture of Precision that seeks to determine the changeability spatial and temporary associate with the agricultural cultivations, minimizing with this costs and damages al environment. This form of agricultural management, nevertheless, has been possible thanks al technological development of a data processing branches series and of sciences of the communication, that at present are used to grouping in a new science called Geomatics, that refers to an approximation integrated of measurements, analysis and management of the description and locating of data of the Land, often called spatial data. Inside this discipline, are three the elements that greater influence has in the Agriculture of Precision and they are besides the base of the Geomatics. These they are the Remote sensing, the Systems of Geographical Information and the Systems of Satellite Navigation. The description and convergence of these two new disciplines, Agriculture of Precision and Geomatics, along with a revision detailed of the operation, elements participants, benefits and future these, they are delivered subsequently in the present memory, with the objective to know them with a greater degree of detail, for finally conclude aspects of their future and present state.

10 I. INTRODUCCIÓN. Los recientes tratados comerciales firmados por Chile con la Unión Europea y Estados Unidos, sumado a la creciente globalización de la economía mundial, posibilitarán sin duda una mejora en la actividad económica a nivel nacional en la mayoría de los sectores productivos del país y tanto la agricultura como el sector forestal no escaparán a ello. Debido a esta interacción dichas actividades se verán participando en un mercado de mayores exigencias, pero a la vez con más oportunidades de negocios para productos con mayor valor agregado. Esto determinará, por parte de los productores, incurrir cada vez más en costos relacionados directamente con la adquisición de nuevas tecnologías, lo que garantizará en definitiva una mejora en sus utilidades, además de reducir impactos negativos al medio ambiente. Es por esto que los productores de dichas actividades se verán en la obligación de planificar y controlar en detalle cada uno de sus procesos productivos, lo que le permitirá en el fondo, optimizar sus recursos. Una de las tecnologías de importancia con relación a esto, lo constituye la Geomática, que se puede definir como un campo de actividades que, usando una aproximación sistémica, integra todos los medios para adquirir y manejar datos espaciales requeridos como parte de actividades científicas, administrativas, legales y técnicas que se preocupan de la producción y manejo de información espacial (Instituto Canadiense de Geomática, 2000). En este contexto llega a Chile un concepto nuevo a la hora de manejar los procesos productivos relacionados específicamente con la agricultura, denominado Agricultura de Precisión (AP) o Manejo Sitio Específico (MSN); que se puede definir básicamente como la puesta en marcha de un grupo de 1

11 tecnologías que permiten la aplicación de insumos agrícolas, tales como fertilizantes, semillas, plaguicidas, etc., en forma variable dentro de un cultivo, de acuerdo a los requerimientos y/o potencial productivo de varios sectores homogéneos, predefinidos dentro del mismo (Ortega y Flores, 1999). Cabe destacar que este tipo de manejo en la agricultura comenzó a imponerse de manera masiva en algunos países desarrollados a partir del la década de los noventa y desde esta fecha se ha convertido en una práctica de manejo ampliamente utilizada, sobre todo en Norteamérica y Europa, debido básicamente a los importantes adelantos tecnológicos relacionados con la Geomática. En Chile el concepto de Agricultura de Precisión es un término relativamente nuevo, sin embargo sus beneficios y ventajas avizoran un futuro auspicioso para esta nueva forma de manejo agrícola. Con la presente revisión sobre Geomática y Agricultura de Precisión se pretende acercar a los agricultores y profesionales que están directamente relacionados con las tecnologías anteriormente mencionadas al concepto de Agricultura de Precisión, que viene a cambiar el concepto de agricultura tradicional. 2

12 II. OBJETIVO 2.1 Objetivo General Analizar bibliografía de la Geomática y su relación con la Agricultura de Precisión. 3

13 III. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 3.1 Geomática y sus Aplicaciones en Agricultura. Actualmente el desarrollo humano, en todas sus disciplinas, esta ejerciendo una gran presión sobre el planeta y son muchos los ecosistemas que de alguna manera se están viendo afectados. Ante ello, la presión de grupos ambientalistas y ecologistas agrupados en miles de organizaciones también se ha incrementado. Todo esto hace cada día más necesario estudiar, analizar y mejorar todas las actividades que involucren directamente al hombre y su medioambiente, será la única forma de reorientar el rumbo hacia actividades realmente sustentables. Este escenario promete un futuro más que alentador para todas las disciplinas y herramientas involucradas en el tratamiento de información espacial. Sus avances y utilidades serán claves para entender de mejor manera los cambios globales que está provocando el hombre y sus actividades. Dichas tecnologías por tanto, entregan herramientas que permiten estudiar y analizar los cambios generados por la intervención humana en el planeta, sin embargo además permiten realizar actividades de forma más rentable y con menores daños al medio ambiente. Un ejemplo de esto lo constituye el concepto de Agricultura de Precisión, que apunta justamente a mejorar una de las tareas más necesarias en la interacción hombre - tierra, como lo es la agricultura. Sus inicios como concepto es de larga data, sin embargo en los últimos años y gracias al notable desarrollo de la Geomática y de otras ciencias tecnológicas han permitido desarrollar este tipo de manejo agrícola que viene de alguna manera a revolucionar el concepto de agricultura tradicional. 4

14 A continuación y con el objetivo de entender de mejor manera el concepto de Agricultura de Precisión, se describen las principales tecnologías y elementos constituyentes de la Geomática así como sus principales implicancias en esta nueva forma de manejo agrícola. Luego, en el capítulo siguiente se describe con más detalle el concepto de Agricultura de precisión, sus principales áreas de trabajo e investigación y sus aplicaciones y desafíos en Chile GEOMÁTICA. La Geomática es un término relativamente nuevo y emergente que dice relación a un conjunto multidisciplinar de ciencias y tecnologías utilizadas para cuantificar, simular y analizar una gran cantidad de variables físico-espaciales. Se vale para su utilización, de una serie de tecnologías que facilitan la captura y análisis de datos espaciales, destacando entre otros la Teledetección Espacial o Sensoramiento Remoto, los Sistemas de información Geográfica y los Sistemas de Navegación Satelital. Algunas de las definiciones que se han dado para este concepto son las siguientes:!"es una disciplina que tiene por objeto la gestión de los datos espaciales, utilizando para ello las ciencias y las tecnologías relacionadas a su adquisición, almacenamiento, tratamiento y difusión (Universidad de Laval, 2005).!"Término usado para describir las ciencias y tecnologías concernientes a la medición de datos terrestres. Incluye su colección, almacenamiento, administración, planeamiento, diseño y presentación. Tiene aplicaciones en todas las disciplinas y profesiones que usan datos espaciales, 5

15 incluyendo topografía, geografía, geodesia, cartografía, agricultura, recursos naturales, medio ambiente, división territorial y proyectos de ingeniería (Kavanagh, 2003). La Geomática, por el hecho de tratar variables que poseen información del tipo espacial, entrega la posibilidad de analizar una gran gama de disciplinas y ciencias de la tierra, mejorando notablemente la comprensión y desarrollo de las actividades e interacciones que diariamente realiza el hombre sobre el planeta. Para ello integra principalmente las siguientes técnicas y disciplinas; topografía, cartografía, geodesia, fotogrametría, Teledetección, Sistemas de Información Geográfica y Sistemas de Navegación Satelital. Una de las áreas en donde se aprecia de mejor manera la gran utilidad que representa la utilización de la Geomática como ciencia aplicada, es en la Agricultura, lo que ha generado un nuevo concepto de manejo mucho más tecnologizado y eficiente denominado Agricultura de Precisión (AP) que pretende determinar y manejar la variabilidad espacial y temporal asociada a los cultivos agrícolas. Según Zurita (2004), para lograr poner en práctica las metodologías involucradas en la Agricultura de Precisión, ésta debe hacer uso de las llamadas tecnologías de la información y la computación, donde destacan la Teledetección Espacial, los Sistemas de Información Geográfica (SIG), Sistemas de Navegación Satelital y tecnologías en aplicación variable de insumos, es decir involucra fuertemente los componentes y elementos geomáticos. Para conocer de mejor manera las técnicas y principios de la Agricultura de Precisión conviene primero que todo estudiar dichos componentes básicos de la Geomática, los que se describirán en detalle en las páginas siguientes. 6

16 Teledetección Espacial La Teledetección Espacial constituye uno de los elementos más importantes de la Geomática. Sin esta técnica parece casi imposible hoy en día imaginarse el estudio de una gran variedad de procesos y cambios que sufre la superficie terrestre y la Agricultura de Precisión no escapa a ello. Según Chuvieco (1990), la Teledetección Espacial es un concepto adoptado en los países de habla hispana como traducción del inglés remote sensing, su definición básica es la obtención de información de un objeto sin estar en contacto directo con él. Esta técnica permite adquirir imágenes de la superficie terrestre desde sensores instalados en plataformas espaciales. Se compone básicamente de los siguientes elementos: Fuente de Energía, Cubierta Terrestre, Sistema Sensor, Sistema de Recepción Comercialización, Intérprete y Usuario. Esta técnica es muy dependiente del estado de desarrollo tecnológico existente en cada momento y por cuanto en ella se conjugan aspectos muy variados como óptica, sistemas de transmisión, equipos de tratamiento, etc., las formas de teledetección han ido variado ostensiblemente en las últimas décadas. Las técnicas en Teledetección Espacial son usadas ampliamente para recolectar información de la superficie terrestre. Los datos percibidos remotamente tienen muchos usos, que van desde la vigilancia militar, hasta la planificación del uso de la tierra urbana, industrial o agrícola. Hoy día esta técnica de obtención de información espacial, se lleva a cabo sosteniendo de alguna manera un sensor sobre él o los objetos bajo estudio y para ello se utilizan diferentes plataformas, entre las que destacan aviones y satélites (Martini et al, 1999). 7

17 Según Flores (2002), la Teledetección Espacial ha tenido una gran emergencia en los últimos años en el ámbito agrícola ya que entrega la posibilidad del mapeo espacial de la variabilidad de parámetros relacionados con la productividad. Así y con la ayuda de Sistemas de Navegación Satelital y técnicas geoestadísticas es posible determinar el patrón de distribución para cada variable dentro de una unidad de producción. La Teledetección basa su funcionamiento en la captación de la radiación electromagnética que produce la superficie terrestre. La radiación electromagnética puede describirse como un haz ondulatorio armónico y continuo. El tipo de radiación puede caracterizarse a partir de dos elementos: la frecuencia (f: número de veces que el ciclo pasa por un punto determinado) y la longitud, que indica la distancia entre dos crestas sucesivos de una onda. Cualquier tipo de energía puede caracterizarse por estos dos elementos y las distintas longitudes de onda se agrupan normalmente para su estudio en bandas, en las que la radiación posee un comportamiento similar. Recibe el nombre de espectro electromagnético el conjunto de bandas o tipo de radiación según su longitud de onda (Chuvieco y Alonso, 1995). Según Pinilla (1995), para llevar a cabo la teledetección de cualquier fenómeno se requiere el concurso de tres factores; a saber, una fuente energética de radiación electromagnética, la interacción de dicha radiación con la superficie del objeto a estudiar y por último un sistema de detección que reciba la radiación reflejada, el cual se detallará a continuación. a. SISTEMAS DE DETECCIÓN Existen varios tipos de sistemas de teledetección, clasificables de acuerdo a diversos criterios. Según el procedimiento a emplear, los sistemas pueden ser pasivos o activos. Los primeros son solamente receptores de la radiancia 8

18 procedente de un objeto iluminado por una fuente externa, generalmente el sol, en tanto que los segundos se caracterizan por generar ellos mismos la radiación que posteriormente medirán tras su interacción con la superficie objeto de estudio (Pinilla, 1995). Según Chuvieco (1996), una ulterior clasificación entre los sensores pasivos, considera un procedimiento para grabar la energía recibida. De acuerdo a ello puede hablarse de sensores fotográficos, óptico-electrónicos y de antena. En cuanto a los sensores activos, destacan el RADAR y el LIDAR. El mismo autor define los sensores más utilizados en la actualidad de la siguiente manera: ii. Sensores Pasivos!"Sensores Fotográficos: : siguen siendo el medio más utilizado para teledetección, especialmente de plataformas aéreas. Basan su funcionamiento en la impresión de un objeto sobre emulsiones fotosensible, con el apoyo de un sistema óptico que permite controlar las condiciones de exposición. Dentro de esta configuración básica pueden establecerse numerosas variantes en función del tipo de película, número de objetivos, ángulo de observación y altura de la plataforma.!"exploradores de Barrido: denominados bajo el nombre genérico de sensores electro-ópticos, estos sensores se caracterizan por que convierten una señal analógica, la radiancia recibida, en un valor digital. La radiancia recibida por un componente óptico instalado en el sensor, se dirige a una serie de detectores que la amplifican y convierten a una señal eléctrica. 9

19 Esta a su vez, se trasforma a un valor numérico que puede almacenarse a bordo o transmitirse a la red de antenas receptoras. ii. Sensores Activos:!"Radar: este equipo ha sido bastante utilizado en aplicaciones militares así como en control de tráfico aéreo. Trabaja en la región de las micro-ondas. Una de sus ventajas es que permite tomar imágenes bajo cualquier condición atmosférica. Su funcionamiento, característica común de los sistemas activos, se basa en la emisión de un haz energético que posteriormente recoge tras su reflexión sobre la superficie que se pretende observar.!"lídar: es un sensor activo que emite pulsos de luz polarizada entre el ultravioleta y el infrarrojo cercano y se utiliza generalmente para estudiar la atmósfera. La señal emitida por el lídar interactúa con las partículas atmosféricas, causando su dispersión en función del tipo de elemento encontrado. La energía de retorno se recoge por un telescopio, que a su vez se transmite a través de un filtro óptico a un foto-detector, la cual es grabada y posteriormente almacenada. b. RESOLUCIÓN DE LOS SISTEMAS SENSORES Según Pinilla (1995), la resolución de un sistema de sensoramiento es su capacidad para discriminar información en detalle en un objeto detectado y define los tipos de resolución de la siguiente manera: 10

20 i. Resolución Espacial: Se denomina a la capacidad del sistema para distinguir el objeto más pequeño posible en una imagen. Los sensores optico-electrónicos almacenan la información en forma de matriz bidimensional de elementos contiguos denominados celdillas o píxeles. Este tipo de resolución depende de la altura orbital, velocidad de exploración y del número de detectores del sensor, aspectos que a raíz de sus notables avances posibilitan hoy en día obtener imágenes con resoluciones submétricas. ii. Resolución Espectral: Es la capacidad del sensor para discriminar la radiancia detectada en distintas longitudes de onda del espectro electromagnético. Dada la imposibilidad de la medida de la radiancia espectral, solamente puede aproximarse una estimación de la misma midiendo la radiancia extendida a un intervalo de longitudes de onda denominado bandas. La resolución espectral viene dada por el número de bandas que el sensor puede captar. iii. Resolución Radiométrica: Se define como la capacidad del sensor para discriminar niveles o intervalos de radiancia espectral. En los sistemas analógicos como la fotografía, la resolución radiométrica viene determinada por el número de niveles de gris que pueden obtenerse. iv. Resolución Temporal: Se denomina resolución temporal a la capacidad del sistema sensor para discriminar los cambios temporales sufridos por la superficie en estudio. Este 11

21 concepto hace referencia a la periodicidad con que el sensor puede adquirir una nueva imagen del mismo punto de la superficie terrestre y depende de la altura de la órbita, de la velocidad del satélite, y el ángulo de abertura de la observación. En agricultura, las imágenes obtenidas a través de la teledetección, utilizan la interacción entre la radiación electromagnética y la superficie de las plantas en los espectros visible e infrarrojo. Así, a través del desarrollo de técnicas de imágenes numéricas se provee de una información cuantitativa de la luz reflejada por esas superficies (Flores, 2002). En este mismo ámbito Renzullo (2004), entrega antecedentes de los actuales estudios que se llevan a acabo para utilizar sensoramiento remoto en Australia y que dicen relación con la Viticultura de Precisión. El proyecto tiene como objetivo llegar a determinar la presencia temprana de un hongo específico de la vid llamado Phylloxera que ataca el sistema radicular de las plantas de forma muy rápida, no habiendo más remedio que eliminar la planta para combatirla eficientemente. En la actualidad, aunque se sigue investigando al respecto ya se avizoran correlaciones importantes entre el estado fisiológico de la planta y los índices de vegetación entregados por las imágenes multiespectrales. Las imágenes de satélite facilitan una cobertura espacial exhaustiva con buena frecuencia temporal, lo que asegura poder observar cualquier zona de interés. Además la estimación es directa y se basa en la señal reflejada-emitida por las propias plantas y no en las condiciones atmosféricas que la circundan. c. PLATAFORMAS DE TELEDETECCIÓN ESPACIAL Las plataformas de teledetección espacial son el soporte físico que transporta los diferentes tipos de sensores utilizados para capturar la información de interés. 12

22 Según Jean-Yves (1989), los equipos más utilizados son aviones, globos, cohetes sondas y satélites. Cada unos de éstos tiene sus ventajas y desventajas en cuanto a costo de lanzamiento, mantención, calidad de imagen, flexibilidad, etc., aspectos que han favorecido la utilización en forma más sostenida de aviones y satélites principalmente. Los aviones son una de las plataformas más utilizadas para obtener imágenes de la superficie terrestre. Desde la perspectiva de la teledetección, los aviones se caracterizan porque vuelan a altitudes relativamente bajas si se comparan con satélites, (a pocos kilómetros sobre la superficie) y porque sólo pueden tomar fotografías individuales de extensiones relativamente pequeñas, aunque captan muchos detalles como automóviles, casas, árboles, etc., además dependen en gran medida de las condiciones climáticas para llevar a acabo la percepción remota de manera segura y confiable que garanticen productos de calidad. En cuanto a los satélites, éstos representan en la actualidad una plataforma de teledetección de gran importancia y desarrollo, su uso es cada día más habitual en diferentes aplicaciones que incluyan el manejo de información territorial. Su análisis y descripción suele hacerse sobre la base de los distintos programas espaciales destinados a Teledetección Espacial y que son manejados y administrados principalmente por países desarrollados. Suelen por tanto agruparse bajo el concepto de Programas Espaciales. Los programas espaciales destinados a Teledetección Espacial se originan de la necesidad de observar de mejor manera la evolución y cambios globales que se desarrollan en el planeta, con el objetivo de agilizar su estudio y dinámica. El rápido desarrollo de las tecnologías involucradas en este tipo de programas ha permitido la utilización de la Teledetección en variadas actividades que involucren el análisis de la superficie terrestre y la atmósfera, llegando a ser en la actualidad 13

23 una herramienta clave de desarrollo y aprendizaje. A continuación se describen algunos de los programas más importantes en Teledetección Espacial. i. Programa LANDSAT. Desarrollado por la NASA (National Aeronautics and Space Administration), este programa nace en el año 1972 con la puesta en órbita del primer satélite de la serie ERTS (Earth Resource Technollogy Satellite), denominado LANDSAT y representó el primer proyecto dedicado exclusivamente a la observación de los recursos terrestres. La buena resolución de sus sensores, el carácter global y periódico de la observación y la buena comercialización explican en gran parte la buena acogida que ha tenido este programa en el mundo científico (Chuvieco, 1996). Desde el nacimiento del programa en 1972 hasta la fecha, son siete los satélites LANDSAT que se han puesto en órbita, destacando en ellos los progresivos avances tecnológicos en cuanto a sensores y equipos de teledetección. ii. Programa SPOT La familia de satélites SPOT (Systéme Probatorie d Observation de la Terre) ha sido desarrollado por un consorcio francés, belga y sueco. La principal característica que lo distingue del programa LANDSAT es su capacidad de mira lateral, que aumenta la resolución temporal, pudiendo observarse cualquier punto de la superficie terrestre con una periodicidad entre uno y varios días. Es posible además generar pares estereoscópicos de la zona observada. SPOT está concebido para el estudio de los usos del suelo, evolución del medio ambiente, evaluación de recursos naturales, minería, trabajos cartográficos a escala media 14

24 (1:100000) y actualización frecuente de la cartografía topográfica (a escala 1:50000) (Pinilla, 1995). Un claro ejemplo de la utilidad prestada por la Teledetección Espacial en el campo de la Agricultura de Precisión es la creación de un programa de servicio y asesoramiento para cooperativas agrícolas en Francia, denominado FARMSATR. El consorcio que maneja la familia de satélites SPOT abastece de imágenes de alta resolución espacial que, junto a otros servicios relacionados, permiten al agricultor mejorar el manejo y rentabilidad de su negocio. Dentro de los servicios prestados, destacan:!" Suministro variado de imágenes (Diferentes sensores y resoluciones).!" Cartas temáticas e inventarios de superficies agrícolas.!" Control de la vegetación y estimaciones de superficie y de producción.!" Creación y actualización de bases de datos de parcelas agrícolas.!" Geotrazabilidad de Productos Agrícolas. iii. Programa NOAA Esta familia de satélites constituye uno de los múltiples programas diseñados para enviar información meteorológica a la superficie terrestre. Teniendo en cuenta que el principal objetivo del programa era facilitar información sobre el estado actual de la atmósfera, el satélite NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration Satellite) se diseñó para ofrecer un ciclo de cobertura muy corto, una imagen cada 12 horas. Este ciclo se mejora a seis horas gracias a la sincronización entre los dos satélites que operan simultáneamente. Su altura orbital es de 833 a 870 Km. cubriendo en una imagen un área de aproximada de 3000 km. de lado (Chuvieco, 1996). 15

25 d. Satélites de Vanguardia. Hoy en día existen además otro tipo de satélites para Teledetección Espacial, los de última generación que incluyen los más recientes adelantos tecnológicos y son los principales abastecedores de información para variados estudios terrestres que requieran de un mayor grado de precisión, pues se caracterizan básicamente por su excelente nivel de resolución espacial. A continuación una breve descripción de ellos. i. IKONOS. El satélite IKONOS es el primer satélite de tipo comercial que posibilita la captación de imágenes con un metro de resolución espacial. Estas imágenes son consecuencia directa de la liberación tecnológica promovida en 1994 por el gobierno de los Estados Unidos. IKONOS colecta información de cualquier zona en promedio dos veces al día, cubriendo áreas de km2 en una misma pasada y produciendo como resultado imágenes de 1 metro de resolución cada tres días y de 2 m de resolución todos los días. El satélite IKONOS pesa unos 720 kg. y órbita la Tierra cada 98 minutos a una altitud de casi 680 km. 16

26 Figura 1: Imagen IKONOS multiespectral. Estudio de la heterogeneidad de cultivos. La imagen corresponde a la finca El Encín (Alcalá de Henares) del Fuente:Instituto Madrileño de Investigación Agraria (IMIA), año 2005.(en línea). Según Gutiérrez (2000), las imágenes multiespectrales adquiridas por el satélite IKONOS, permiten las aplicaciones de agricultura de precisión. En estas imágenes puede observarse la heterogeneidad en el crecimiento del cultivo, dentro de una parcela, que puede ser debida a: estrés hídrico, por mala distribución del riego. ataque de plagas y enfermedades en el cultivo. irregular distribución de fertilizantes. 17

27 Esta tecnología junto a un exhaustivo trabajo de campo permiten llegar a determinar las reales causas que originan la variabilidad. ii. QUICKBIRD El satélite QuickBird circunda la tierra a 450 kilómetros de altura, es un satélite único en su tipo permitiendo obtener imágenes con una resolución comparable a una fotografía aérea 1:4.000, de 70 cm., pancromático, (la más alta del mundo) y 2,8 m. multiespectral, colocando a disposición de la comunidad mundial abundante información acerca de las siempre cambiantes características naturales de la tierra, siendo una gran contribución para la consolidación final de la industria de satélites operacionales de alta resolución. Estas imágenes muestran un excelente nivel de detalle, claridad, calidad espectral y cobertura global, siendo una gran herramienta para el análisis e interpretación de la superficie terrestre, especialmente en el ámbito militar, administración de recursos naturales, planificación urbana, telecomunicaciones, agricultura, control del medio ambiente, catastros, minería, entre otros (Lamperin y Cabargas, 2003). Figura N 2. Algunos Satélites de Teledetección Espacial 1. SPOT. 2. IKONOS 3. QUICKBIRD. Fuente: Diseño del autor, año

28 Desde el primer lanzamiento, muchos satélites han sido puestos en órbita y las resoluciones radiométrica, espacial y temporal están en constante evolución y mejora. Así, en la actualidad son muchos los ejemplos de que demuestran la gran utilidad de la teledetección para proveer a los científicos de información periódica y a un costo razonable, sobre el estado del planeta. No obstante, la determinación de la información necesitada por la Agricultura de Precisión desde imágenes aéreas y/o satelitales no siempre resulta trivial debido a la enorme complejidad del sistema suelo-planta-atmósfera. Por tanto, la compresión de dicho sistema y de los métodos usados en teledetección resulta vital para poder afrontar el desarrollo de nuevas técnicas (Zurita 2004). La Teledetección Espacial se ha convertido sin duda, en una herramienta clave para obtener información, ya que su flexibilidad y capacidad entrega muchas ventajas a la hora de planificar y llevar a cabo estudios que involucren la investigación de la superficie terrestre, en cualquier disciplina que se piense. Su futuro además es más que prometedor ya que muchos países desarrollados trabajan e invierten diariamente en investigación y desarrollo, con el objetivo de mejorar y encontrar nuevas aplicaciones para esta fascinante técnica Sistema de Información Geográfica (SIG) Los Sistemas de Información Geográfica (SIG) son en la actualidad un elemento imprescindible para la comprensión del entorno. Su importancia radica en que posibilitan, entre otras cosas, almacenar y relacionar de manera gráfica y tabular toda la información territorial de interés que se quiera, haciendo más fácil su uso e interpretación. Uno de los aspectos intrínsecos contenidos en la Agricultura de Precisión es que se requiere contar con la mayor cantidad de información posible, justamente para llegar a ser más preciso y conocer de mejor manera el comportamiento y 19

29 evolución de las variables que inciden en la producción. Dicha información debe trabajarse de manera tal que sea entendible y útil, tarea que en gran medida se ve facilitada al trabajar con estos sistemas de información. Un Sistema de Información Geográfica (SIG), es un sistema de información compuesto por Hardware y Software y procedimientos para capturar, manejar, manipular, analizar, modelizar y representar datos georreferenciados, con el objetivo de resolver problemas de gestión y planificación. Los métodos y las técnicas de estos sistemas como herramientas idóneas para tratar la información, se extienden en multitud de ámbitos, especialmente entre profesionales y científicos. Teniendo esto en cuenta, a continuación se recogen las principales aplicaciones de lo SIG (Comaz y Ruiz, 1993). 1. Aplicaciones Bióticas: Agricultura y usos del suelo; Gestión de los recursos naturales. 2. Aplicaciones de Administración y Gestión: Catastro; Planificación de servicios públicos; Aplicación de carácter urbano; Defensa y seguridad; Aplicaciones cartográficas. 3. Aplicaciones Socioeconómicas: Censos y estadísticas de población; Análisis de mercados. En cuanto a las funciones de los Sistemas de Información Geográfica Bosque (1997), señala las siguientes: 1. Funciones para la entrada de información. 2. Funciones para salida/representación gráfica y cartográfica de la información. 3. Funciones de gestión de la información espacial. 4. Funciones analíticas. 20

30 En Agricultura de Precisión las utilidades de estos sistemas permiten trabajar, entre otros, los siguientes campos de acción: 1. Generación de cartografía predial y por cultivo. 2. Evaluación y monitoreo de rendimientos. 3. Aplicación de dosis variable de insumos. 4. Trazabilidad histórica de cultivos y productos. a. COMPONETES DE UN SIG Un sistema se define básicamente como la integración de diferentes elementos que interactúan para lograr un objetivo común, es por ello que para entender mejor los Sistemas de Información Geográfica se suele describir cada uno de sus componentes, éstos son: Hardware, Software, Datos, Personal y Métodos. i. Hardware. Representa el grupo de componentes materiales o físicos utilizados habitualmente en un sistema informático. Sus componentes principales son el Computador Personal (PC) que es un procesador electrónico que bajo el control de las instrucciones del software dirige y supervisa todas las funciones del sistema. Se puede mencionar además los equipos periféricos de entrada, salida y almacenamiento de datos como mesas digitalizadoras, escáner, impresoras, plotters y discos compactos (Pinilla, 1995). ii. Software. También conocido como soporte lógico está referido al conjunto de programas que permiten capturar, editar, gestionar, analizar y modelizar la 21

31 información espacial a través de un SIG. Frecuentemente tiende a denominarse erróneamente Sistema de Información Geográfica sólo a los programas computacionales, olvidándose de los otros componentes fundamentales de un SIG (Briones, 2000). iii. Datos. Constituyen una representación simplificada del mundo real con la que los expertos tienen que trabajar. Cuando se habla de datos en el contexto de los SIG se alude a datos directamente utilizables por el computador. Las opciones para adquirir información son básicamente realizar operaciones de captura a través de periféricos correspondientes (es decir, digitalizando o escaneando mapas) o adquirir la información de interés en el mercado (Gutiérrez y Gould, 1994). iv. Personal. La tecnología de los SIG es de valor limitado sin la gente que administra el sistema y desarrolla un proyecto para aplicarlo a problemas del mundo real. En un SIG intervienen muchas personas desde el inicio del sistema con los analistas y programadores, así como también los usuarios y administradores del sistema una vez que se encuentra en operación (ERSI, 2005). v. Métodos. Un SIG exitoso opera de acuerdo a un plan bien diseñado y a las reglas de la empresa, las cuales son modelos y prácticas de operación únicas en cada organización (ESRI 1997). Taylor 2004, hace una reflexión en cuanto a la flexibilidad de los SIG y su aplicación en la industria agrícola, más específicamente en el sector vitícola 22

32 australiano. Considera que si bien estos sistemas si son aplicables a estos rubros se necesita aún de mayor investigación y desarrollo para obtener productos informáticos más específicos que consideren todos los aspectos y procesos involucrados en la viticultura. Un ejemplo de este desarrollo lo representa el programa AusVit que se define como un sistema computarizado de apoyo en las decisiones que deben tomar los viticultores. Entre sus utilidades están el administrar y relacionar información clave sobre rendimiento, aplicación de plaguicidas y calidad de la uva, logrando así mejorar los procesos que involucran este tipo de variables. b. MODELOS Y ESTRCUTURA DE DATOS Se suele clasificar los SIG de acuerdo a la forma con que se modela la información del territorio, la cual se encuentra representada principalmente por dos tipos de modelos, el Modelo Ráster y el Modelo Vectorial, que se describen a continuación junto a sus ventajas y desventajas. i. Modelo Ráster Mena (1996), señala que el modelo ráster centra su interés más en las propiedades del espacio que en una representación precisa de los elementos que lo conforman. Pare ello compartimenta el espacio en una serie de elementos discretos por medio de una retícula regular. El modelo se fundamenta en el uso de una malla regular para definir un sistema de polígonos uniformes, pero arbitrario para la captura de datos geográficos. La morfología de la maya es poligonal y homogénea, y su forma normalmente cuadrada (pixel), a cada una de las cuales le corresponde normalmente un único valor relativo a la variable que se está representando. 23

33 En el modelo ráster no quedan registrados de forma explícita los límites entre los elementos geográficos (como ocurre en el vectorial), aunque éstos se pueden inferir aproximadamente a partir de los valores que toman las celdas, logrando agrupar y diferenciar elementos y zonas de características similares (Gutiérrez y Gould, 1994). ii. Modelo vectorial. Según Comaz y Ruiz (1993), en el modelo vectorial las entidades geográficas (componente espacial), se representan por la combinación de puntos, líneas y polígonos a atributos temáticos, georreferenciados e interrelacionados. Las relaciones existentes entre ellos quedan explícitamente definidas mediante el empleo de la topología y sus características descriptivas están representadas por los datos alfanuméricos. Bosque (1997), señala que existen varias posibilidades para organizar esta doble base de datos (espacial y temática). En unos casos los sistemas vectoriales están formados por dos componentes o programas informáticos (e incluso dos bases de datos) claramente diferenciados. Uno es el que maneja la base de datos espacial y el otro es el que explota la temática. Este es el denominado sistema de organización híbrido, nombrado así por unir y relacionar una base de datos para los aspectos temáticos, con una base de datos topológica, para los espaciales. La otra posibilidad de organización es la de incluir ambos tipos de datos en una única base de datos mixta, que reúna tanto las características espaciales como las temáticas. 24

34 Figura Nº 3. Representación modélica del Territorio. Modelo Ráster. Modelo vectorial. Fuente: Modelos de Representación, año 2005, (en línea). c. VENTAJAS DEL MODELO RÁSTER Y VECTORIAL Según Aronoff (1989), cada modelo tiene sus ventajas y desventajas que se entregan a continuación. i. Modelo Ráster: Ventajas: 1. Es una estructura de datos simple. 2. Las operaciones de superposición de mapas se implementan de forma más rápida y eficiente. 3. Cuando la variación espacial de los datos es muy alta el formato ráster es una forma más eficiente de representación. 25

35 4. El formato ráster es requerido para un eficiente tratamiento y realce de las imágenes digitales. Desventajas: 1. La estructura de datos ráster es menos compacta. Las técnicas de compresión de datos puede superar frecuentemente este problema. 2. Ciertas relaciones topológicas son más difíciles de representar. 3. La salida de los gráficos resulta menos estética, ya que los límites entre zonas tienden a presentar la apariencia de bloques en comparación con las líneas suavizadas de los mapas dibujados a mano. ii. Modelo vectorial: Ventajas: 1. Genera una estructura de datos más compacta que el modelo ráster. 2. Genera una codificación eficiente de la topología. 3. El modelo vectorial es más adecuado para generar salidas gráficas que se aproximan mucho a mapas dibujados a mano. Desventajas: 1. Es una estructura de datos más compleja que el modelo ráster. 2. Las operaciones de superposición de mapas son más difíciles de implementar. 3. Resulta poco eficiente cuando la variación espacial de los datos es muy alta. 4. El tratamiento y realce de las imágenes digitales no puede ser analizado de manera eficiente. 26

36 La topología entrega las relaciones existentes entre los elementos contenidos en el SIG Gracias ésta un Sistema de Información Geográfica puede comportarse como un sistema inteligente al relacionar la información almacenada. Una integración entre los Sistemas de Información Geográfica y Agricultura de Precisión son los llamados SIG Predial que corresponde a una aplicación de las herramientas SIG en el campo agronómico y que permiten gestionar y manejar gran cantidad de información relativa a la producción. Un beneficio importante es además poder contar con información temática visible a través de mapas específicos de cada sector productivo del predio. Pérez y Claret (1999), sostienen que la primera etapa a considerar para establecer un SIG Predial es la obtención de una visión completa del predio o unidad productiva. Dicha información se puede obtener de fotografías aéreas, planos u ortofotos, ésta debe ser introducida al computador para su almacenamiento y manejo. Luego de procesos de restitución que involucra además la toma de datos georreferenciados en terreno se logra generar una imagen a escala, que será la base para generar o construir las nuevas capas temáticas de interés. En la agricultura las capas temáticas pueden ser muy variadas, las principales sin embargo son las siguientes:!"delimitación predial!"tipo de cultivos.!"capacidad de uso de suelo.!"profundidad del suelo.!"red de canales.!"red de caminos.!"infraestructura Predial. 27

37 !"Asociaciones vegetales.!"fertilidad de los suelos. Es importante mencionar que en la actualidad muchos software de Sistemas de Información Geográfica se han hecho cada vez más específicos, es decir cada área de investigación tiene sus propios programas según las actividades y aplicaciones más utilizadas en cada una de ellas. Esto permitirá una mayor expansión de estos sistemas y herramientas computacionales y sin lugar a dudas pronto estarán presentes en la mayoría de los trabajos que necesiten del tratamiento de información territorial Sistemas de Navegación Satelital Según Martini (2002), la Agricultura de Precisión depende en gran medida de la utilización de algún sistema de posicionamiento. El hecho de agregar una variable espacial a los datos implica que de alguna manera se debe agregar coordenadas a cada uno de los pasos realizados. Actualmente esta función es llevada a cabo mediante los Sistemas de Navegación Satelital. Durante toda la guerra fría, las dos superpotencias mundiales U.R.S.S. y EE.UU. no escatimaban esfuerzos ni costos económicos por demostrar al resto del mundo las ventajas propias de sus divergentes modelos económicos. En este escenario y en uno de los ámbitos más importantes, el militar, ambos países diseñaron y pusieron en marcha en forma separada, sistemas de navegación satelital con el objetivo de determinar la posición de un punto en cualquier lugar del planeta, aspecto clave a la hora de desplegar tropas, espías y unidades en conflictos bélicos. Así nacieron en Sistema de Posicionamiento Global (GPS) de autoría estadounidense y su contraparte rusa, el GLONASS o Sistema Global de Navegación por Satélite, siendo en la actualidad los que poseen una mayor cobertura y precisión. 28

38 La evolución de ambos sistemas ha sido sin embargo muy distinta, predominando tecnológica y comercialmente en la actualidad el sistema estadounidense. a. GLONASS. GLObal NAvigation Satellites System se desarrolló en la antigua Unión Soviética. El sistema fue diseñado con fines militares y reservó un subconjunto de señales sin codificar para las aplicaciones civiles. Actualmente la responsabilidad del sistema es de la Federación Rusa. Contaba con 24 satélites, distribuidos en tres planos orbitales inclinados 64,8º a Km. de altitud, sin embargo en la actualidad funcionan solo 14. A pesar del beneficio que supone la ausencia de perturbación en la señal GLONASS, la incertidumbre sobre su futuro ha limitado su demanda, sin embargo se han comercializado receptores que combinando las señales GPS y GLONASS, mejoran la precisión de las mediciones (Pozo-Ruz, et al 2000). Según Martínez (2002), la utilización del sistema ruso es más restringida, ya que GLONASS dispone sus satélites en 3 planos orbitales, restringiendo su uso sólo en algunas zonas del planeta, además menciona que los problemas económicos que ha tenido Rusia en los últimos años han sido un obstáculo para el normal desarrollo del sistema. Mientras tanto, el GPS amplió su uso a aplicaciones civiles en diversas disciplinas y áreas de estudio, lo que ha garantizado su gran aceptación y desarrollo, consolidándose en la actualidad como el principal sistema de posicionamiento, aspecto que hace necesario su revisión en forma más detallada y exhaustiva. 29

39 b. EL SISTEMA DE POSICIONAMIENTO GLOBAL (GPS) El Sistema de Posicionamiento Global, que nació hace ya tres décadas, se ha convertido en la actualidad en una herramienta clave en el desarrollo de variadas actividades que involucren recabar información geográfica referenciada y de alta precisión. Con la ayuda de este Sistema Posicionamiento, conocido mundialmente como GPS, se han desarrollado una gran cantidad de aplicaciones para poder satisfacer las necesidades de información y posicionamiento en conjunto. De esta forma quienes son usuarios de esta tecnología han encontrado en ella un sin número de aplicaciones ya sea en áreas forestales, viales, agrícolas, civiles, mineras, etc. (Pérez, 1999). El sistema nace con fines militares bajo el alero del Departamento de Defensa de los Estados Unidos en el año 1973 y uno de sus objetivos fue reemplazar el antiguo sistema de posicionamiento satelital TRANSIT que para esa época había quedado prácticamente obsoleto. El Sistema de Posicionamiento Global (GPS) se puede definir como un sistema de radionavegación satelital creado con el objetivo de obtener la posición de un móvil sobre cualquier punto del globo terrestre y bajo cualquier condición climática durante las 24 horas del día. Para lograr esto se necesitó entre otras cosas, de la puesta en órbita de una constelación de 24 satélites dispuestos en 6 planos orbitales. Estos satélites corresponden a equipos de la serie NAVSATR (NAVigation System By Timing And Raning (Sistema de Navegación Mediante Tiempo y Distancia) los cuales orbitan la tierra a una altura aproximada de Km. (Briones, 2000). Para el estudio del Sistema de Posicionamiento Global se acostumbra dividir el sistema en tres segmentos que se detallan a continuación. 30

40 i. Segmento Espacial (Satélites). El segmento espacial está constituido por la constelación de satélites NAVSTAR según una planificación sobre la base de 3 generaciones de satélites. Los de la primera generación eran de prueba y fueron lanzados entre 1978 y 1985 y pretendían cubrir el máximo del territorio de Estados Unidos. La segunda generación fue lanzada tras la reanudación del programa espacial americano, interrumpido parcialmente por el accidente del Transbordador Challenger, entre 1988 y Los nuevos lanzamientos se realizan para sustituir a los satélites que están fuera de servicio o averiados. El NAVSTAR y el GPS fueron terminados el 8 de Diciembre de 1993 cuando 24 satélites quedaron operativos en forma simultánea. Según Martínez y Fuster (1995) dentro de las características generales de los satélites NAVSTAR, es que viajan a casi 4km/s. a una altura aproximada de Km. Están equipados con paneles solares que permiten el funcionamiento mientras el satélite pasa por la sombra de la tierra, lo que garantiza un funcionamiento continuo del sistema. Además cuentan con un sistema que controla continuamente la orientación de los satélites, llamado Propulsores de Maniobra, aplicando cualquier momento de giro para corregir la posición de los satélites en el espacio. Por último, la construcción de los satélites estuvo a cargo en una primera etapa por la compañía Rockwell International, la que luego fue entregada a General Electric. 31

41 Figura N 4. Segmento espacial del GPS 1. Satélite de la serie NAVSTAR. 2. Constelación de satélites en el espacio. Fuente: Diseño del autor, año ii. Segmento de Control (Estaciones de Monitoreo). Para que el sistema funcione de la mejor manera posible se hace necesario controlar y monitorear constantemente los satélites, lo que garantiza mantener el sistema con un mínimo de alteraciones. Especial cuidado se debe tener en lo que respecta a las órbitas, las cuales en teoría deben ser predecibles durante todo el proceso de operación, aspecto que resulta de vital importancia a la hora de obtener la posición sobre cualquier punto de la superficie terrestre (Briones, 2000). Para el GPS existen cinco estaciones oficiales de control. La estación maestra o de control que está en la base Falcon Air Force, cerca de Colorado Spring, en territorio continental estadounidense. Las otras estaciones, denominadas estaciones monitoras, están en Ascención (Atlántico Sur), Diego García (Índico), Kwajalein (Pacífico Occidental) y Hawai (Pacífico Oriental). Estas estaciones de 32

42 seguimiento y control están regularmente espaciadas en longitud y tienen coordenadas muy precisas (Martínez y Fuster, 1995). Figura N 5. Estaciones de control del GPS. Fuente: Funcionamiento GPS, año 2005, (en línea). Según Briones (2000), las principales funciones de las unidades de control son determinar y corregir las órbitas teóricas de los satélites los cuales sufren desviaciones producto de efectos perturbadores como la fuerza de atracción gravitatoria universal y los vientos cósmicos. Además este segmento está encargado de la inyección de nuevos datos de posición a cada satélite respecto de cada estación. iii. Segmento Usuario (Equipos receptores). Según Núñez-García et al (1992), los receptores son los instrumentos utilizados para encontrar las coordenadas de un punto o hacer navegación sobre 33

43 la superficie terrestre, usando las señales radiodifundidas desde los satélites NAVSTAR. Está compuesto por todos los equipos receptores disponibles, ya sean geodésicos o navegadores, de uso militar o civil y cuyas principales funciones son a) Seleccionar los satélites que se encuentren visibles al momento de la medición, b) Capturar la señal emitida por la constelación de satélites NAVSTAR y c) Recuperar los datos de navegación satelital. Esta información tiene como finalidad suministrar al usuario todos aquellos antecedentes necesarios para la determinación de la localización del receptor sobre la superficie terrestre (Briones, 2000). La clasificación de los equipos receptores puede abarcarse de variadas formas, sin embargo un punto crucial para diferenciarlos es el tipo de señal que capta cada equipo, es decir la disponibilidad de códigos que pueda leer, los cuales según sus características van a determinar el tipo de medición y la precisión que se quiera conseguir. En general los equipos receptores se pueden clasificar en los siguientes dos grandes grupos:!"navegadores. Son equipos que se caracterizan por ser portátiles y pequeños, lo que hace que su manejo y transporte sea bastante fácil y cómodo. En la actualidad existen en el mercado variadas marcas, modelos y diseños que a parte de permitir tomar datos de posición en forma simple, entregan la posibilidad de almacenar coordenadas (waypoint), lo que ayuda a la hora de confeccionar planos, caminos, delimitar sectores, etc. Otra herramienta que incluyen hoy en día la gran mayoría de estos receptores es, el tener en su memoria planos internos de ciudades, líneas costeras, autopistas nacionales- internacionales, carreteras principales, etc. 34

44 La obtención de las coordenadas se realiza utilizando el código C/A, el cual determina en tiempo real las pseudodistancias a los satélites visibles al momento de la observación, permitiendo obtener posicionamiento en tres dimensiones (latitud, longitud, altitud) si el número de satélites enganchados es igual o mayor a 4 y posición en dos dimensiones (latitud, longitud) cuando determina pseudodistancia sólo a 3 satélites (Briones, 2000). Figura N 6. Receptores G.P.S. Tipo navegadores. 1. Equipo navegador GPS 2. Reloj con tecnología GPS incorporada. Fuente: Diseño del autor, año Es importante mencionar sin embargo, que aunque el funcionamiento de estos receptores es rápido y cómodo, éstos se encuentran expuestos a los errores impuestos por la disponibilidad selectiva, las condiciones climatológicas y no son utilizables en sectores cerrados, lo que reduce su campo de acción a trabajos que no requieran una gran precisión. Algunas características de este tipo de receptores:!"manejo y transporte, fácil y cómodo. 35

45 !"Económicos.!"Su precisión es menor que la de los otros tipos de receptores.!"suele emplearse en aplicaciones de baja dinámica, como en barcos, y navegación terrestre.!"geodésicos. A diferencia de los navegadores, los receptores geodésicos pueden medir la pseudodistancia a la fase portadora de la señal o número de ciclos que completa la señal desde el satélite hasta que llega al receptor, con lo que pueden realizar un postproceso de la información colectada, obteniendo precisiones en método diferencial inferiores submétricas. Dentro de los equipos geodésicos se pueden diferenciar los receptores de frecuencia simple, doble y los con código Y(P). Los primeros se recomiendan para distancias en método diferencial no superiores a 25 km. entre equipos, en caso de los de doble frecuencia estos en teoría pueden medir líneas bases sin límites de distancias, teniendo sólo la precaución de contar con 4 satélites comunes. Por último los equipos de doble frecuencia con código Y(P) permiten además de las aplicaciones descritas para los equipos anteriores la obtención de posiciones con alta precisión y productividad (ASTECH 1996); citado por Briones

46 Figura N 7. Receptor GPS tipo Geodésico. Fuente: Funcionamiento GPS, año 2005, (En línea). Según Trinidad (2003); (citado por Gutiérrez, 2003), en la actualidad el levantamiento topográfico, por ejemplo para potreros agrícolas, usa cada vez más el Sistema de Posicionamiento Global, para el cual se recomienda la utilización de equipos geodésicos e incluso está sustituyendo a métodos clásicos de topografía, en tareas tales como levantamientos de redes de poligonal, triangulaciones y controles fotogramétricos. Esto, sumado a la posibilidad de integración con los Sistemas de Información Geográfica, entregan una potente herramienta para obtener y manejar información georreferenciada, aspecto clave para llevar a cabo tareas en Agricultura de Precisión por ejemplo. Algunas de las aplicaciones dadas por el GPS en Agricultura de Precisión incluyen las siguientes áreas: (Martini, 2002).!"Muestreo Dirigido de Suelos.!"Aplicación Variable se Insumos. 37

47 !"Mapeo de Rendimiento.!"Banderilleros Satelitales. El mismo autor señala que está en vigencia un programa de modernización del GPS., cuyos objetivos son: mejorar en posición y tiempo, abastecer de mayor disponibilidad y capacidad el monitoreo integral del sistema y mejorando además el sistema de control. A medida que se lleven a cabo estas mejoras los receptores anteriores van a seguir funcionando pero únicamente con la precisión actual o levemente mejor. Para suplir este problema lo que queda por hacer es adquirir los nuevos equipos y tecnologías afines que vayan apareciendo en el mercado. c. FUNDAMENTOS PARA EL CÁLCULO DE LA POSICIÓN Para poder determinar la posición en tierra utilizando el GPS se necesita llevar a cabo los siguientes pasos: 1. Trilateración geométrica desde las antenas de los receptores a los satélites y de éstos hacia el geocentro del elipsoide que representan a la tierra, según el dátum general o local con el cual se esté trabajando. 2. Medición de la distancia entre la antena receptora y cada satélite (pseudodistancia) mediante la determinación del tiempo de viaje de la señal de radio, considerando que éstas viajan a la velocidad de la luz. 3. Determinación precisa del tiempo. Cada satélite cuenta con relojes atómicos de Cesio y Rubidio altamente estables y precisos, además de dos relojes en cada receptor. 4. Corrección de aquellas perturbaciones que sufre la señal portadora al atravesar las distintas capas que conforman la atmósfera terrestre (Briones, 2000). 38

48 d. FUENTES DE ERROR DEL SISTEMA Si bien el GPS es un sistema altamente preciso para determinar la posición, también posee errores. Según McCormac 2004, los principales errores que perturban la determinación correcta de la posición de un punto son los siguientes. i. Errores atmosféricos: Es un error muy común y se da por la interferencia que causa la atmósfera en la trayectoria de la señal, retardándola. Hoy en día los receptores más sofisticados efectúan una corrección para estos factores, sin embargo siguen siendo imperfectas, además la atmósfera está en continúo cambio. ii. Errores de Trayectoria Múltiple: Se da cuando las señales trasmitidas que llegan a la superficie de la tierra son reflejadas por otros objetos antes de llegar a los receptores, es decir las señales llegan a los receptores siguiendo más de una trayectoria. iii. Errores de Satélite: Están relacionados con los errores de los relojes atómicos incorporados en los satélites, que aunque son altamente precisos y estables no son perfectos. Un pequeño error de sus mediciones puede causar errores muy grandes en los cálculos de distancia. Otro error asociado en este punto es el hecho de que los satélites algunas veces se desvían de sus órbitas predefinidas. 39

49 iv. Disponibilidad Selectiva: Es un tipo de error de gran magnitud causado deliberadamente por el Departamento de Defensa norteamericano el cual puede alterar las posiciones de los satélites o de la transmisión de mensajes de radio provenientes de éstos, causando obviamente errores en el cálculo de la posición. Este tipo de error se entiende por que el GPS es de autoría militar y se incrementa en tiempos de conflictos bélicos. El método de corrección diferencial DGPS, minimiza notablemente este tipo de error. e. FUTURO DE LOS SISTEMAS DE NAVEGACIÓN SATELITAL Se puede decir que el futuro de los sistemas de posicionamiento es más que auspicioso, panorama que se vislumbra al revisar los diversos proyectos que actualmente se llevan a cabo tanto en la Unión Europea como en Estados Unidos. La Unión Europea, a través de la ESA (Agencia Espacial Europea) trabaja en la actualidad en un proyecto de navegación satelital denominado GALILEO, que pretende poner fin al monopolio ejercido por Estados Unidos en este ámbito. i. Proyecto de Sistema de Navegación Satelital GALILEO. El GALILEO es un sistema de localización por satélite propuesto por la Unión Europea con apoyo de la Agencia Espacial Europea y un grupo de inversionistas privados. Fue diseñado desde su concepción para usos civiles y se espera que esté en operación en el GALILEO es un sistema global independiente de GPS, pero totalmente compatible e interoperable con él. Por compatible e interoperable se entiende que un receptor GALILEO podrá explotar 40

50 simultáneamente las señales recibidas de los satélites GALILEO y GPS. (Martínez, 2002). Galileo beneficiará a la aviación, a la navegación marítima, al transporte por carretera y por ferrocarril e incluso a los peatones. También beneficiará a otras actividades profesionales y privadas, como la ingeniería civil, agricultura, servicios de emergencia, servicios sociales, etc. Se ha diseñado especialmente para el uso civil en todo el mundo y proporcionará una señal disponible gratuita y señales restringidas a grupos específicos, como prestadores de servicios comerciales, aplicaciones de socorrismo y sector de la aviación. Es importante destacar que, pese a las discrepancias iniciales, se logró firmar un acuerdo entre la Unión Europea y Estados Unidos en el cual se establece que ambos sistemas coexistirán sin que se produzcan interferencias entre sus respectivas señales. Ello significa que todos los usuarios de servicios de radionavegación por satélite podrán utilizar simultáneamente, con un solo receptor, uno de los dos sistemas o ambos a la vez, logrando además facilitar y abaratar de manera importante el uso conjunto del GPS y de GALILEO y la fabricación de los equipos correspondientes (INFO UE, 2004). Mientras tanto, Estados Unidos en respuesta al mencionado proyecto europeo GALILEO ha provisto modernizar su sistema de posicionamiento completamente, con lo que busca acercarse más al uso civil y público. 41

51 3.2 AGRICULTURA DE PRECISIÓN. Todos los componentes de Geomática citados anteriormente participan en forma directa en la Agricultura de Precisión. Además se requiere de otro tipo de tecnologías más específicas, sobre todo en lo referente a captura de datos y aplicación variable de insumos, las cuales van a depender en su gran medida del cultivo o sector agrícola propio en el cual se pretenda aplicar las técnicas sitioespecíficas. Sin embargo, su aplicación como técnica utilizada para determinar la variabilidad espacial y temporal asociada a los cultivos obedece ciertos patrones y pasos a seguir, independiente del área específica en el que se aplique. Hoy en día la automatización, en cualquier actividad que se piense no es una utopía sino una realidad. En la gran mayoría de las actividades que desarrolla el hombre participan directamente componentes automáticos, creados por el hombre para desarrollar tareas de forma más rápida y confiable, garantizando sobre todo mayores rentabilidades. La automatización en sus orígenes fue más bien mecánica, pues buscaba reemplazar la fuerza del hombre, hoy sin embargo permite tomar decisiones lógicas, sofisticadas y confiables. Un Claro ejemplo de ello lo constituye la Agricultura de Precisión. Uno de los aspectos más importantes que ha estado siempre presente en la actividad agrícola es la variabilidad espacial y temporal de los cultivos, la cual está dada por factores ambientales y por factores culturales. El primero se relaciona directamente con los procesos propios de la formación del suelo, como lo son las condiciones climáticas o geográficas, mientras que los aspectos culturales están relacionados con el manejo histórico que se les a dado a un suelo o a un cultivo en particular, provocando variabilidad espacial y temporal. 42

52 Con el avance de diversas tecnologías se ha llegado a determinar esta variabilidad espacial y temporal en los cultivos, lo que ha dado nacimiento a un nuevo concepto denominado Agricultura de Precisión (AP) o Manejo de Sitio Específico (MSE) que permiten establecer y manejar dicha variabilidad para aumentar la eficiencia productiva, logrando además disminuir los impactos negativos al medio ambiente. Pierce y Nowak (1999), definen en términos generales Agricultura de Precisión como la aplicación de tecnologías y principios para manejar la variabilidad espacial y temporal asociada con todos los aspectos de la producción agrícola, con el propósito de mejorar el desempeño de la cosecha y el cuidado al medio ambiente. Baños y Goenaga (2003), definen de forma más específica el concepto de Agricultura de Precisión como la aplicación de un conjunto de técnicas, apoyadas por equipamiento de alta tecnología, para el manejo de la producción agrícola en forma sitio-específica. Esto significa adaptar la técnica de cultivo a las condiciones particulares que se presentan en cada uno de los sectores del campo. Este manejo se basa en el supuesto de que los distintos sectores del campo responden de manera diferente a una misma técnica de cultivo aplicada de manera uniforme en toda la extensión del terreno. En tal caso sería posible aumentar la productividad de la explotación agrícola dividiéndola en subzonas y ajustando la técnica de cultivo y las dosis de insumos a las características particulares de cada una de ellas. Contrario al manejo agrícola tradicional, el Manejo Sitio Específico no busca manejos fijos o estables sino prácticas variables en el tiempo, de acuerdo a las 43

53 reales necesidades de cada lote o sector previamente individualizado o categorizado. Según Grisso et al (2002), algunos beneficios de la aplicación de esta tecnología son una mejora en la sustentabilidad, una mejora en la calidad de los productos y un mayor y eficaz control de los procesos productivos, logrando con esto además reducir los impactos al medio ambiente. Cabe destacar que las prácticas de Agricultura de Precisión serían recomendables o justificadas en situaciones donde exista en el potrero o zona de estudio una alta variabilidad de los factores que influyen en la producción de cultivos (humedad del suelo, fertilidad o presencia plagas, entre otras) y los rendimientos varíen en función de ellos (Ortega y Flores, 1999). Etapas en Agricultura de Precisión. El siguiente esquema entrega en forma general las etapas que se deben seguir para llevar a cabo la Agricultura de Precisión. Dichas etapas mantienen un estado cíclico, puesto que los cultivos agrícolas lo son, haciéndose necesario seguir recolectando información una vez hecho el manejo diferenciado para comprobar y monitorear su aplicación. Además siempre hay cambios en cuanto a plagas y enfermedades que necesitan de su constante revisión. 44

54 Figura Nº 8. Esquema de Etapas en Agricultura de Precisión. Fuente: Diseño del autor, año TECNOLOGÍA INVOLUCRADA Parece lógico pensar que la tecnología involucrada en la AP es muy variada pues la agricultura como tal lo es. Actualmente cada sector de la agronomía está involucrándose en las técnicas y principios del Manejo Sitio Específico lo que requiere necesariamente de tecnologías acordes a cada realidad. Sin embargo hay elementos puntuales. Entre ellas están los Sistemas de Navegación Satelital, utilizados para georreferenciar los sectores y los puntos de muestreo, Sensores para muestrear las variables en estudio y Sistemas de Información Geográfica (SIG), que permiten almacenar, procesar e interpretar la información. Además de este tipo de tecnologías, se requiere en Agricultura de Precisión, una serie de equipos, monitores y maquinarias, que son utilizados tanto para el monitoreo de 45

55 las variables de interés, como para la aplicación diferencial de insumos, entre ellos se pueden citar:!"sensores.!"monitores de rendimientos.!"banderilleros satelitales.!"equipos de aplicación diferencial. A continuación se describen las etapas que considera el Manejo Sitio Específico incluyendo tanto las tecnologías como las metodologías que participan en cada una de ellas Recolección de la información En esta etapa participan principalmente Sistemas de Navegación Satelital, Sistemas de Información Geográfica, Sensores remotos y Sensores directos. La actividad principal considera la recolección de los datos en el terreno, los que deben ser georreferenciados para su almacenamiento y análisis. a. Sistemas de Navegación Satelital. Permiten coordenar cada dato por lo que resulta de vital importancia. El sistema más utilizado es el Sistema de Posicionamiento Global (GPS), sin embargo en un futuro cercano se va a utilizar también del Sistema GALILEO, de autoría europea. Si bien el funcionamiento y componentes de este sistema de posicionamiento se detalló anteriormente, a continuación se describirá su integración con la Agricultura de Precisión. 46

56 Según Martini (2002), la Agricultura de Precisión depende en gran medida de la utilización de algún sistema de posicionamiento. El hecho de agregar una variable espacial a los datos implica que de alguna manera se debe agregar coordenadas a cada uno de los pasos realizados. Actualmente esta función es llevada a cabo mediante los Sistemas de Navegación Satelital. Es importante mencionar que el GPS, por ser un sistema que nace con fines militares no entrega una óptima precisión, al ser introducido intencionalmente, por parte del Departamento de Defensa Norteamericano un error en la señal emitida por los satélites, proceso definido como Selective Availability (S.A.) o disponibilidad selectiva. Esta situación ha llevado a la necesidad de desarrollar, por parte de usuario civiles, nuevos métodos para mejorar la precisión utilizando datos de corrección diferencial. Este método, llamado DGPS (Diferencial GPS), utiliza los mismos satélites y uno o más receptores GPS ubicados en lugares fijos y conocidos. Dichos receptores fijos calculan su posición con la información proveniente de los satélites y la comparan con la información de su posición real y con la diferencia calculan un factor de corrección. Con este método de utilización de GPS se logran precisiones submétricas, lo que hace posible la aplicación de esta tecnología en Agricultura de Precisión (Johnson, 1996). 47

57 Figura Nº 7. Esquema de funcionamiento de la señal diferencial. En primer lugar una estación de control compara las coordenadas GPS de un hito geográfico de coordenadas conocidas y exactas (A). Esta señal es transmitida a un satélite especial (ej. Omnistar) el cual transmite la señal al receptor y la lectura es corregida en tiempo real (B). Fuente: Funcionamiento GPS, año 2005, (en línea). Esta tecnología integrada con los Sistemas de Información Geográfica (SIG) permiten en Agricultura de Precisión posicionar una máquina exactamente en tiempo real, (por ejemplo para elaboración de mapas de rendimiento) y segundo, navegar por el lote ubicando los sitios, es decir permite llegar a un punto con precisión (muestreo dirigido) o ubicar una máquina en movimiento variando la dosis al llegar a un determinado punto marcado a través de un mapa de aplicación. Según Martini (2002), también se puede usar GPS autónomos, es decir sin corrección diferencial en algunas prácticas de Agricultura de Precisión. Cuando se realizan muestreos de suelos o plantas no es tan necesario obtener posiciones más precisas que las de un GPS autónomo, ya que la variabilidad que se intenta describir es mucho mayor espacialmente que el error de la posición. Inclusive 48

58 cuando se realiza un muestreo de este tipo se debe siempre realizar muestras compuestas en un radio aproximado a los 10 metros, lo que implica que el valor del análisis de laboratorio refleja el estado del suelo o plantas en un sector y no en un punto específico. Se debe realizar la salvedad que cuando se quiera evaluar la evolución temporal de algún parámetro específico y exista la necesidad de volver exactamente al mismo lugar a muestrear periódicamente, si se requiere de una mayor precisión. La pronta irrupción del Sistema de Navegación Satelital GALILEO, sumado al hecho de que sus señales serán interoperables con las del GPS, garantizará de forma notable la disponibilidad y precisión que se requiere a la hora de georreferenciar las variables bajo estudio en el MSE. Se dispondrá de una mayor cantidad de satélites, mejores equipos receptores y su precisión no dependerá de la Disponibilidad Selectiva, pues GALILEO es totalmente independiente y desde su concepción se orienta a usos civiles no militares. b. Sensores Directos Existe como se mencionó, tecnologías específicas en Agricultura de Precisión las que se relaciona tanto en la toma de datos, como en la aplicación diferencial de insumos. Se requiere de distintos sensores, monitores y equipos especialmente acondicionados a la variada maquinaria agrícola. Hoy en día son muchas las variables que pueden ser estimadas a partir de sensores directos, permitiendo originar los mapas de variabilidad espacial. Importante es destacar que este tipo de automatización permite la captura de datos o la aplicación variable a medida que se avanza por el cultivo, lo que suele describirse como trabajo en tiempo real, siendo una de las metodologías de trabajo en AP, la otra es la basada en mapas, de todas maneras es importante recalcar que ambas están estrechamente relacionadas. 49

59 Según Dallmeyer y Schlosser (1999), los sensores en Agricultura de Precisión son dispositivos utilizados para medir o estimar el estado de alguna variable, ya sea en su condición o flujo. Algunos de los sensores directos usados en el Manejo Sito Específico se describen a continuación: i. Sensor de Compactación del Suelo: Permite estimar que tan compactado se encuentra el suelo. Su mecánica es captar las señales acústicas producidas por una herramienta que se mueve a través del suelo. Otra opción utiliza un cincel especialmente acondicionado que, mediante un sensor, determina la fuerza de tracción necesaria para penetrar el suelo. ii. Sensor de Fertilidad: Estimar el contenido de nutrientes en el suelo debe ser una de las actividades más importantes en la agricultura pues los fertilizantes son uno de los insumos más costosos y utilizados, sin embargo muy pocos sensores que trabajen en tiempo real están disponibles. Los que existen se basan para la estimación, en captar señales eléctricas provenientes de los iones solubles presentes en el suelo. iii. Sensor de Caudal: Estos sensores miden la cantidad de material que pasa por el interior de un ducto, por unidad de tiempo. Suelen ser diseñados para medir caudal de sólidos y sustancias líquidas, permitiendo medir masa y caudal volumétrico por unidad de tiempo, respectivamente. Son sensores muy importantes en Agricultura de Precisión encontrándose instalados tato en cosechadoras como en máquinas aplicadoras de fertilizantes y plaguicidas. 50

60 iv. Sensor de Malezas: Detectan con gran precisión y en tiempo real los puntos infestados por malezas. Basan su funcionamiento en captar la fuerte reflexión de la luz en la banda del infrarrojo cercano de las plantas verdes y la baja reflexión por el suelo y el material muerto. Otra forma es el reconocimiento de malezas utilizando cámaras de video acopladas a computadores y software adecuados de interpretación y control de las boquillas de pulverización Este tipo de sensores necesitan de una compleja y meticulosa instalación en las distintas máquinas y equipos para que entreguen información confiable o para que apliquen correctamente las dosis preestablecidas. Necesitan además integrarse a computadoras o tarjetas de memoria que almacenan la información así como a sistemas de navegación satelital, generalmente DGPS, que coordena espacialmente la información capturada. Aunque generalmente, este tipo de sensores trabaja en tiempo real, proceso que según algunos autores no necesariamente requiere de coordenar los datos, siempre será conveniente saber exactamente cuánto y en qué lugar se aplicó una determinada cantidad de insumo, o dónde se encuentra la mayor presencia de malezas, lo que es determinado por el DGPS. 51

61 Figura N 9. Algunos sensores y equipos utilizados en AP. 1. Medidor de clorofila portátil que estima la cantidad presente sin destruir el tejido. 2. Equipo que mide la conductividad eléctrica (CE) del suelo en tiempo real. La CE puede ser relacionada con la textura del suelo y de esta manera construir mapas. 3. Equipo automático para la medición de la profundidad de suelo. 4. Monitor de rendimiento conectado a un DGPS y montado sobre una cosechadora de maíz. Fuente: Diseño del autor, año c. Sensores Indirectos i. Teledetección Espacial. Los sensores indirectos son básicamente los instalados en plataformas aéreas y satelitales y que suministran imágenes de la superficie terrestre bajo diferentes 52

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