🔬 LiDAR para Fenotipos de Plantas en Agricultura de Precisión: La Herramienta Definitiva para el Ingeniero Agroindustrial

La necesidad de alimentar a una población mundial en crecimiento, bajo escenarios de cambio climático y escasez de recursos, ha impulsado la Agricultura de Precisión (AP) a buscar tecnologías no invasivas y de alto rendimiento. En este contexto, la tecnología de Detección y Alcance de Luz (LiDAR) ha emergido como un jugador revolucionario en el fenotipado de plantas. El LiDAR para fenotipos de plantas en Agricultura de precisión permite cuantificar con una exactitud sin precedentes los rasgos estructurales y morfológicos de los cultivos, superando las limitaciones de los métodos manuales destructivos y los sensores ópticos 2D.

En esencia, la tecnología LiDAR emplea rayos láser pulsados para medir la distancia y generar contornos detallados para una superficie objetivo. La información recopilada se presenta en una densa nube de puntos 3D, la cual es susceptible de un análisis geométrico avanzado. Varios tipos de LiDAR, incluyendo la forma de onda discreta y completa, recopilan estos datos utilizando distintos modos de ensamblaje, adaptándose a las necesidades específicas del cultivo y la escala de la operación.

I. Arquitectura y Plataformas del Fenotipado LiDAR

Para el ingeniero agroindustrial, la elección de la plataforma LiDAR es crucial, ya que define la escala de la aplicación y el tipo de dato que se puede obtener.

• LiDAR Terrestre (TLS): Se utiliza principalmente para cuantificar la estructura detallada de la cubierta de la planta a nivel de parcela o planta individual. Esto es importante para la investigación en mejoramiento genético, donde se requiere la máxima precisión en rasgos como el ángulo foliar y la arquitectura del tallo. Por consiguiente, los sistemas terrestres ofrecen el mayor nivel de detalle, aunque cubren áreas más reducidas.
• LiDAR Aerotransportado (ALS): Esta modalidad, a menudo montada en Vehículos Aéreos No Tripulados (UAVs) o avionetas, se aplica para medir la biomasa y la estructura del dosel en grandes extensiones. Además, su capacidad para penetrar parcialmente la vegetación lo hace ideal para generar Modelos Digitales de Terreno (MDT) precisos bajo el dosel.
• LiDAR Espacial: En contraste, el LiDAR espacial es la mejor opción para el monitoreo de la diversidad vegetal y la biomasa a escala regional, aunque su resolución suele ser menor.

Una vez que la nube de puntos recogida se somete a un preprocesamiento exhaustivo (filtrado de ruido y segmentación del terreno), se vuelve susceptible de análisis mediante una serie de algoritmos de extracción.

II. Extracción de Fenotipos Clave con Tecnología LiDAR

El verdadero valor del LiDAR para fenotipos de plantas en Agricultura de precisión reside en la capacidad de cuantificar con precisión una serie de métricas agronómicas esenciales.

2.1. Métricas Morfológicas y Estructurales

Hasta la fecha, una serie de fenotipos de plantas se pueden cuantificar con una alta correlación respecto a las mediciones manuales:

• Altura y Arquitectura de la Planta: LiDAR se destaca en proporcionar mediciones altamente precisas de la altura. Esta precisión es crucial para correlacionar el vigor del crecimiento con el rendimiento final. Por lo tanto, la información permite la identificación de diferencias fenotípicas entre genotipos en ensayos de mejoramiento.
• Densidad de la Vegetación y Cobertura (IAF): Los datos 3D detallados proporcionan una visión completa de la estructura espacial de las plantas. De esta manera, se puede calcular el Índice de Área Foliar (IAF) y el volumen del dosel, los cuales son esenciales para determinar la dosis óptima y variable de fertilizantes y productos fitosanitarios.
• Evaluación de la Biomasa: La biomasa vegetal se puede lograr a través de mediciones detalladas del volumen y la estructura de la planta. Por ejemplo, en cultivos leñosos y forestales, permite la estimación precisa de la madera o la materia seca para biocombustibles, con una precisión muy superior a las estimaciones basadas únicamente en la reflectancia.

2.2. Fenotipos Fisiológicos Integrados

La innovación no se detiene en la morfología. A través de la utilización de LiDAR hiperespectral, las personas ahora pueden tomar decisiones bien informadas con respecto no solo a la morfología de las plantas, sino también a los rasgos fisiológicos. Esto incluye la calidad de la fruta (contenido de azúcar), el estrés hídrico y las deficiencias de nutrientes, al correlacionar la geometría con la firma espectral de los tejidos.

III. Ventajas Operativas y Desafíos de Implementación 📊

La adopción de LiDAR para fenotipos de plantas en Agricultura de precisión viene acompañada de ventajas operativas innegables, sin embargo, presenta retos técnicos que deben ser abordados por la ingeniería agroindustrial.

3.1. Ventajas Clave

1. Precisión y No Destructividad: La tecnología LiDAR se destaca en proporcionar mediciones altamente precisas y exactas de las características de la planta, como la altura, la estructura y el volumen. No obstante, estas mediciones son no destructivas, permitiendo el seguimiento continuo y repetitivo de las mismas plantas a lo largo de varias etapas de crecimiento.
2. Monitoreo Proactivo: La capacidad de discernir cambios sutiles en la estructura de la planta ofrece una clara ventaja en el monitoreo continuo, extendiéndose a la detección temprana del estrés potencial o deficiencias de nutrientes. En resumen, este enfoque proactivo permite a los agricultores abordar los problemas antes de que puedan afectar significativamente el rendimiento de los cultivos.
3. Eficiencia a Gran Escala: LiDAR es eficaz en grandes áreas agrícolas. Puede cubrir eficientemente campos extensos, proporcionando una visión holística de todo el cultivo, lo que es especialmente beneficioso para las operaciones de agricultura comercial y el fenotipado de alto rendimiento.

3.2. Desafíos Técnicos

1. Gestión de Datos Masivos: LiDAR genera grandes volúmenes de datos de nube de puntos. Por lo tanto, se requieren algoritmos más eficientes y recursos computacionales avanzados para manejar y extraer información significativa de estos extensos conjuntos de datos.
2. Costo de Inversión: Los equipos LiDAR, especialmente los sensores de alta calidad capaces de capturar fenotipos detallados de la planta, pueden ser costosos. De hecho, el costo inicial de inversión podría plantear un desafío para los agricultores de menor escala o las operaciones agrícolas con presupuestos limitados.
3. Penetración del Dosel: En áreas con vegetación densa o toldos complejos, LiDAR puede enfrentar desafíos para penetrar a través de múltiples capas de hojas y ramas. En consecuencia, esta limitación puede afectar la precisión de las mediciones y dificultar la evaluación completa de las estructuras de las plantas en dichos entornos, lo que requiere múltiples pasadas o plataformas de bajo vuelo.

En conclusión, el LiDAR para fenotipos de plantas en Agricultura de precisión está revolucionando la capacidad para obtener datos fenotípicos detallados y precisos en campo. Es una herramienta clave para la toma de decisiones informadas, la optimización de recursos y el apoyo al desarrollo de cultivos más eficientes y resistentes, impulsando la próxima generación de la producción agroindustrial.