USO DE TÉNICAS SIG Y TELEDETECCIÓN EN EL SEGUIMIENTO DEL CULTIVO DE VIÑA CASTERAD SERAL, M. A., LÓPEZ LOZANO, R., ACEVEDO GÓMEZ, A. Centro de Investigación y Tecnología Agroalimentaria de Aragón Avda. Montañana 930, 50059 Zaragoza acasterad@aragon.es, rlopezl@aragon.es RESUMEN La mayoría de los agricultores, técnicos, organizaciones e instituciones españolas relacionadas con el sector agrícola no disponen de información acerca de las posibilidades que los SIG y la teledetección pueden brindarles. Esto, unido al elevado coste que supone su aplicación, limita la incorporación de ambas técnicas como herramientas de gestión en la actividad agrícola. El Centro de Investigación y Tecnología Agroalimentaria de Aragón ha participado en diferentes proyectos de demostración, acercando a los agricultores, técnicos, etc. las aplicaciones agrarias de la teledetección que han desarrollado. En este trabajo se muestran las posibilidades de su utilización para el seguimiento, tanto a escala territorial como de parcela, del cultivo de viña en cinco municipios de la Denominación de Origen Cariñena en Zaragoza. Mediante índices de vegetación obtenidos de imágenes Landsat se ha realizado el seguimiento del desarrollo del cultivo en 63 parcelas. Se ha obtenido una visión general del vigor vegetativo en las diferentes parcelas, diferenciándolas según presentaban estado de desarrollo elevado, moderado o bajo. A partir de imágenes Quickbird y modelos de transferencia radiativa se ha estimado en dichas parcelas el índice de área foliar. Este parámetro biofísico del cultivo tiene gran importancia agronómica y ofrece la posibilidad de definir dentro de la parcela zonas que pueden precisar un manejo diferente del cultivo, dato de gran utilidad en agricultura de precisión. Toda esta información, junto con la recogida en campo relativa a la parcela (sistema de formación, marco de plantación, sistema de riego ) y a su estado (fenología, malas hierbas o enfermedades ) se ha incorporado en un SIG, constituyendo tanto a escala territorial como de parcelar una fuente de datos de gran valor para la gestión del cultivo. Además, para el seguimiento del cultivo en parcela se ha creado una aplicación SIG denominada Cultivisor-viña. Palabras clave Viña, Landsat, Quickbird, índices de vegetación, LAI, scaling up ABSTRACT Most of farmers, engineers, grower s organizations and Spanish institutions don t have information about the benefits that GIS and remote sensing techniques can offer them. This fact together with the high costs for small applications, are limiting the use of both techniques as management tools in agriculture. The staff of CITA (Centro de Investigación y Tecnología Agroalimentaria de Aragón) has developed several remote sensing applications within the context of agricultural management and has participated in different demonstration projects, trying to transfer this applications to farmers and engineers. This article shows the usefulness of sensing and GIS for monitoring vineyards at territorial and plot scale. The study area covers five municipalities within Denominación de Origen Cariñena organization (Zaragoza). Crop development in 63 plots has been monitored using vegetation indices calculated from Landsat images. Then, a general vision of the vegetative vigour in the study field plots has 691
EL ACCESO A LA INFORMACIÓN ESPACIAL Y LAS NUEVAS TECNOLOGÍAS GEOGRÁFICAS PÁG. 691-697 been obtained, classifying them by a high, moderate or low development. Leaf Area Index has been estimated within each plot using Quickbird images and radiative transfer models. This canopy biophysical parameter, having great agronomic meaning, and allows discrimination of areas within the field plot in which differentiate management can be applied, a key issue in precision agriculture. All this plus another information collected in field (trellis system, sowing pattern, irrigation system...) and crop status (phenology, shrubs or diseases,...) has been introduced in a GIS, resulting in a data source of great interest for vineyard management, at territorial and detailed scale. In addition, a GIS application called Cultivisor-vineyard has been developed to monitor crop development at a detailed scale. Keywords Vineyard, Landsat, Quickbird, vegetation indexes, LAI, scaling up 1. INTRODUCCIÓN Cada vez es mayor la capacidad de la teledetección y los sistemas de información geográfica para ofrecer información espacial útil y actualizada. La agricultura es una de las actividades en la que mayores aplicaciones pueden tener ambas técnicas. La variabilidad espacial en el vigor vegetativo de los cultivos, así como la estimación de diferentes s biofísicas y bioquímicas pueden abordarse a partir de estas técnicas de percepción remota. Por tanto, a través de la teledetección se puede obtener información sobre la vegetación a un bajo coste en comparación con otro tipo de medidas in situ. Además, los sistemas de información geográfica (SIG) constituyen el soporte lógico fundamental para poder almacenar y consultar dicha información. Sin embargo, las posibilidades que los SIG y la teledetección brindan son aún poco conocidas por la mayoría de los agricultores o instituciones relacionadas con el sector agrícola. El elevado coste inicial en software y equipos informáticos y la necesidad de un adiestramiento previo por parte del usuario constituyen una limitación para que el agricultor considere ambas técnicas como una herramienta más de gestión en su actividad. Por ello, la información debe ofrecerse en un soporte fácil y rápido de tratar que un usuario no iniciado en SIG y teledetección pueda manejar fácilmente. En este trabajo se muestran las posibilidades de utilización del SIG y la teledetección para el seguimiento del cultivo de viña, tanto a escala territorial como de parcela, en cinco municipios de la Denominación de Origen Cariñena en Zaragoza. El Gobierno de Aragón a través de dos Proyectos de Demostración en 2004 y 2005, e INIA a través de los proyectos RTA-02-095-C3-1 y RTA2005-00230-00-00 han financiado los trabajos presentados. 2. UTILIZACIÓN DE LAS IMÁGENES DE SATÉLITE 2.1 Seguimiento del desarrollo del cultivo de viña mediante satélite El seguimiento del cultivo se llevó a acabo en 63 parcelas de viña seleccionadas en cinco municipios de la Denominación de Origen Cariñena dentro de las comarcas de Campo de Cariñena y Valdejalón, concretamente en los términos municipales de Alfamén, Aguarón, Almonacid de la Sierra, Cosuenda y Cariñena. Se seleccionaron parcelas de diferentes tamaños, que estuvieran tanto en secano como en regadío, y que presentaran formación en vaso y en espaldera. Además, se cuido que estuviesen representadas las principales variedades de la zona y que las parcelas se localizaran a diferentes altitudes, distribuidas por toda el área de estudio. 692
USO DE TÉCNICAS SIG Y TELEDETECCIÓN EN EL SEGUIMIENTO DEL CULTIVO DE VIÑA Se generaron mapas de vigor vegetativo de dichas parcelas a partir de 13 imágenes Landsat correspondientes al periodo 1999-2003 y 3 imágenes Quickbird de 2004. Las imágenes se corrigieron radiométrica y geométricamente y se obtuvo el índice de vegetación de la diferencia normalizada, NDVI y el NDVI medio de cada parcela. Además, se obtuvo un NDVI Normalizado para cada parcela, y para cada campaña agrícola un NDVI acumulado (López-Lozano y Casterad, 2003). El primero proporciona un mayor contraste en la parcela, permitiendo apreciar de manera más clara la variación intraparcelar en el desarrollo del cultivo. Con el segundo se consigue discriminar mejor aquellas zonas de la parcela con problemas de desarrollo del cultivo Esta información se incorporó en la aplicación SIG Cultivisor quedando lista para demostración, consulta y utilización (Apartado 3.2). Se consigue una visión general del vigor vegetativo en las diferentes parcelas, diferenciándolas según presentan estado de desarrollo elevado, moderado o bajo. 2.2 Utilización de imágenes de satélite en la estimación del LAI de viñedos en espaldera. El índice de área foliar (LAI) es un parámetro biofísico del cultivo que tiene gran importancia agronómica y es un indicador de la capacidad fotosintética del cultivo, estando estrechamente relacionado con la producción final. Además, ofrece la posibilidad de definir dentro de la parcela zonas que pueden precisar un manejo diferente del cultivo, dato de gran utilidad en agricultura de precisión. Se puso a punto y validó una metodología (Figura 1) para estimación de LAI en parcelas de viña utilizando imágenes de satélite (Acevedo, 2005). Figura 1. Esquema de la metodología seguida para la estimación del LAI mediante la aplicación de la técnica de scaling up. 693
EL ACCESO A LA INFORMACIÓN ESPACIAL Y LAS NUEVAS TECNOLOGÍAS GEOGRÁFICAS PÁG. 691-697 Dicha metodología aplica modelos de transferencia radiativa específicos para cultivos en línea. En concreto, aplica el modelo PROSPECT-rowMCCRM mediante una técnica llamada scaling up, tal y como se describe en Zarco-Tejada et al. (2005), a imágenes de satélite multiespectrales de muy alta resolución espacial (Quickbird). Con PROSPECT-rowMCCRM se calcula la relación entre un índice de vegetación y el LAI (Figura 1). En este trabajo el índice de vegetación utilizado fue el OSAVI (Rondeaux et al., 1996) y los parámetros de entrada del modelo PROSPECT-rowMCCRM los descritos en la Tabla 1. Dada la variabilidad existente entre las parcelas, estas se clasificaron en 5 grupos en función de parámetros alométricos y orientación de las líneas, definiéndose una función OSAVI-LAI diferente para cada grupo y aplicándose posteriormente la función de estimación correspondiente a cada parcela. De esta forma se consiguió cartografiar el LAI a partir de imágenes de satélite en 35 parcelas de viña en espaldera. Tabla 1. Parámetros de entrada del modelo PROSPECT-rowMCCRM para la aplicación del scaling up a las parcelas de la D.O. Cariñena. Parámetro Supuesto 1 Supuesto 2 Supuesto 3 Supuesto 4 Supuesto 5 Indice de área foliar (0-2) (0-2) (0-2) (0-2) (0-2) Contenido en clorofila Materia seca 0,0065 0,0065 0,0065 0,0065 0,0065 Humedad 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 Estructura foliar interna 1,62 1,62 1,62 1,62 1,62 Inclinación foliar media 45 45 45 45 45 Excentricidad 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 Tamaño relativo foliar 0,083 0,083 0,083 0,083 0,083 Parámetro Markov 1 1 1 1 1 Coef. transmitancia foliar 0,9 0,9 0,9 0,9 0,9 Angulos cenitales y acimutales de observación e iluminación Diferencia entre acimut solar y acimut de las líneas 48 86 40 27 75 Altura de planta 1,35 1,30 1,50 1,45 1,50 Anchura de planta 0,85 0,70 0,80 0,55 0,70 Suelo visible entre calles 3,15 1,80 1,40 2,45 2,30 Reflectancia del suelo Obtenido de la de satélite 694
USO DE TÉCNICAS SIG Y TELEDETECCIÓN EN EL SEGUIMIENTO DEL CULTIVO DE VIÑA Las estimaciones de LAI obtenidas (Figura 2) muestran zonas dentro de la misma parcela con comportamientos diferentes, constituyendo así una información de apreciable valor para aplicación de técnicas de agricultura de precisión. Figura 2. LAI estimado en tres parcelas de la D.O. Cariñena a partir de scaling up con el índice OSAVI aplicado a imágenes Quickbird. 3. UTILIZACIÓN DEL SIG 3.1 Gestión de la información mediante SIG Durante el verano de 2004 se visitaron semanalmente las 63 parcelas de viña seleccionadas recopilando información sobre su fenología, vigor vegetativo, patologías, estado de las calles, incidencias debidas a accidentes climáticos, edad de plantación, marco de plantación, altura y anchura de la vegetación, y cualquier otra observación pertinente. Asimismo se recopilo información de la cosecha (Acevedo, 2005). Toda esta información se incorporó en una base de datos en la que a cada parcela se le asignó un identificador numérico que sirvió para asociarla a una cobertura de los límites de las parcelas. Además de la información de campo, también se incorporó en la base de datos información sobre el NDVI medio de cada parcela en las diferentes fechas e información ráster como los mapas de LAI. El SIG permite obtener la información de la parcela seleccionada, realizar consultas rápidas sobre la información de la base de datos y representar gráficamente estos datos espaciales mediante cartografía descriptiva: mapas temáticos de los aspectos más relevantes (distribución de variedades, de tipo de formación, de parcelas en secano y regadío, afección de enfermedades ); mapas de vigor vegetativo; mapas de LAI. 695
EL ACCESO A LA INFORMACIÓN ESPACIAL Y LAS NUEVAS TECNOLOGÍAS GEOGRÁFICAS PÁG. 691-697 3.2 La aplicación Cultivisor-Viña Cultivisor es una aplicación SIG desarrollada en el CITA que permite, utilizando datos generados por tratamiento de imágenes de satélite, hacer el seguimiento del desarrollo del cultivo dentro de la parcela. Para ello, muestra una colección de mapas de vigor vegetativo generados a partir del NDVI y otras variantes de este índice como NDVI acumulado por campaña y NDVI normalizado (López-Lozano y Casterad, 2003). Esta información permite, asimismo, detectar aquellas zonas de la parcela donde existen y persisten anomalías de desarrollo del cultivo y cuantificar su superficie. Además, consigue tener almacenada gran cantidad de información espacial que puede ser visualizada, consultada y extraída de forma rápida y sencilla por cualquier usuario, aunque este no posea conocimientos de teledetección y SIG. La aplicación, que se había utilizado con existo en cultivos herbáceos, se adaptó para su utilización en el área de estudio (Cultivisor-Viña) introduciéndose mejoras la localización de las parcelas y dando la posibilidad de seleccionar la información a dos niveles de detalle, el resultante de las imágenes Landsat que tienen una resolución espacial de 30m y el de las imágenes Quickbird con una resolución espacial de 2,8m. La información generada a partir de las imágenes de satélite se introdujo en el programa, quedando al aplicación lista para su utilización (Figura 3). Figura 3. Aplicación Cultivisor-Viña 696
USO DE TÉCNICAS SIG Y TELEDETECCIÓN EN EL SEGUIMIENTO DEL CULTIVO DE VIÑA 4. CONCLUSIONES Los sistemas de información geográfica y la teledetección se han mostrado como una fuente de información valiosa para la gestión del viñedo. No solo han permitido el almacenamiento de gran cantidad de datos adquiridos en campo y de sensores remotos, sino que también han permitido: relacionar información de fuentes diversas, aumentar el conocimiento sobre el comportamiento del cultivo, y ver la evolución temporal de diferentes s de interés relacionadas con el desarrollo de la viña como vigor vegetativo, LAI, enfermedades, malas hierbas... La metodología aplicada en las 63 parcelas de la D.O. Cariñena para generar información sobre la viña, tanto a escala local-regional como a escala de detalle, puede extenderse desde el punto de vista técnico a todas las parcelas de viña de la D.O. Cariñena o llevarse a cabo en cualquier otra demarcación siempre y cuando se cuente con los medios humanos y materiales apropiados. BIBLIOGRAFÍA Acevedo, A. (2005): Aplicación de técnicas SIG y teledetección para el seguimiento del cultivo en viña. Escuela Universitaria Politécnica La Almunia de Doña Godina, Zaragoza. Proyecto fin de carrera Nº H.204.00, pp.107. López-Lozano, R. y Casterad, M.A. (2003): Una aplicación SIG para seguimiento en una parcela mediante NDVI de irregularidades en el desarrollo del cultivo, en Pérez, R. y Martínez, P. (Ed.). Teledetección y desarrollo regional. X Congreso Nacional de Teledetección. Cáceres, pp.9-12. Rondeaux, G., Steven, M. and Baret, F. (1996): Optimization of soil-adjusted vegetation indices. Remote Sensing of Environment, 55, pp. 95-107. Zarco-Tejada, P. J., Berjón, A., López-Lozano, R., Miller, J. R., Martín, P., Cachorro, V., González, M. R. y de Frutos, A. (2005): Assessing vineyard condition with hyperspectral indices: Leaf and Canopy reflectance simulation in a row-structured discontinuous canopy Remote Sensing of Environment, 99, pp. 271-287. 697