Laboratorio de Fenología/ Unesp y Recod/ UnicampImagen de una de las cámaras instaladas en el cerrado, con identificación de seis especies vegetales en blanco. Las dos primera de arriba, por ejemplo, muestran, a la izquierda, a la llamada peroba-do-cerrado (Aspidosperma tomentosum), y a la derecha, al pequi (Caryocar brasiliensis)Laboratorio de Fenología/ Unesp y Recod/ Unicamp
La fenología es una de las ramas más antiguas de las ciencias naturales. Consiste en el estudio de los eventos cíclicos de las plantas y los animales y su relación con el clima. “Es un trabajo artesanal que empieza con la marcación de árboles en el campo y se desarrolla mensualmente, mediante la observación del surgimiento de hojas, botones, flores y frutos”, dice la profesora Patrícia Morellato, coordinadora del Laboratorio de Fenología del Instituto de Biociencias de la Universidade Estadual Paulista (Unesp) de Rio Claro. En la fenología tradicional, los datos recabados se relacionan con la dispersión de semillas a cargo de animales frugívoros o insectos polinizadores que se valen de los recursos florales. Para ir más allá y analizar la influencia del clima sobre las plantas, es necesario hacer un estudio sistemático de campo que extiende durante entre tres y cinco años en promedio.
“Es un trabajo agotador, que abarca a varias personas durante un buen lapso de tiempo”, dice Morellato, quien desde 2010 coordina un proyecto innovador de fenología remota en áreas tropicales denominado e-fenologia, con financiación de la FAPESP y el Microsoft Research Institute. Además de la instalación de una cámara digital en la punta de una torre, a 18 metros del suelo, en un área de cerrado [la sabana brasileña] en Itirapina, interior de São Paulo, se desarrollaron software y otras herramientas destinadas a la observación remota y al análisis de la información que se recaba. Son socios en este proyecto el Laboratorio de Fenología de la Unesp de Rio Claro y el laboratorio Reasoning for Complex Data (Recod) del Instituto de Computación de la Universidad de Campinas (Unicamp), donde actúa el profesor Ricardo Torres, quien también participa en la investigación.
A partir de agosto, se instalarán cinco cámaras en distintos tipos de vegetación: campiña, cerrado o sabana, semiárido brasileño o caatinga, bosque semideciduo y bosque atlántico. “Haremos un estudio para evaluar el valor del monitoreo remoto de fenología en diferentes tipos de vegetación, en comparación con la observación tradicional”, dice Torres. La propuesta de los investigadores para una nueva fase del proyecto, una extensión del actual, consiste en usar imágenes obtenidas a partir de aviones no tripulados, los Vants, para cubrir un área mucho mayor de vegetación. “Queremos relevar nuevos puntos para analizar el impacto de los cambios climáticos en los bosques de las regiones tropicales”, dice Torres. Este proyecto inauguró el campo de las investigaciones en fenología remota de áreas tropicales en Sudamérica. “No existen muchas cámaras en el trópico y no hay ninguna publicación sobre el tema hasta el momento”, dice Morellato. Uno de los principales grupos de investigación que utilizan cámaras digitales y otras tecnologías para la monitorización remota en áreas templadas es el del profesor Andrew Richardson, de la Universidad Harvard, de Estados Unidos.
Laboratorio de Fenología/ Unesp y Recod/ UnicampUna torre de 18 metros de altura y una cámara digital instaladas en Itirapina, en el cerrado paulistaLaboratorio de Fenología/ Unesp y Recod/ Unicamp
La Red Nacional de Fenología de Estados Unidos, financiada por la Fundación Nacional de Ciencias (NSF), empezó a monitorizar la influencia del clima sobre la fenología de plantas, animales y paisajes en 2007. Recientemente, los investigadores de dicha red publicaron un estudio en el cual se afirma que la primavera de 2012 empezó casi un mes antes que el promedio histórico desde 1900. Este fenómeno, denominado falsa primavera, puesto que buena parte de la vegetación no logró desarrollarse como era de esperarse para la estación, fue consecuencia del clima más cálido que llegó prematuramente. Según el estudio, las floraciones se concretaron muy tempranamente, lo que dejó a diversas especies vulnerables ante las olas de frío que aún sucedían. Entre las zonas más afectadas se encontraba el así llamado cinturón del maíz, que abarca a los estados de Iowa, Illinois, Indiana y Michigan. Los investigadores arribaron a la conclusión de que, ante el calentamiento global, el surgimiento de primaveras precoces se convertirá en la nueva realidad del país.
Diversos grupos de investigación en fenología remota operan distribuidos por países tales como Japón, Holanda, Australia, Canadá y el Reino Unido. En Japón, por ejemplo, webcams –cámaras de video conectadas a computadoras– dispersas por todo el país para el monitoreo en general se utilizan también para observar el ciclo de las plantas. La fenología moderna le debe mucho al botánico sueco Carl Linnaeus, quien durante el siglo XVIII registró sistemáticamente las épocas de floración y las condiciones climáticas exactas en que éstas sucedían en 18 lugares de Suecia durante muchos años.
Chequeo de datos
El punto de partida del proyecto e-fenología está compuesto por datos de más de 2 mil plantas, recabados en observaciones mensuales realizadas en una extensión de cerrado de 260 hectáreas en Itirapina, desde finales de 2004. El muestreo de la vegetación se lleva a cabo en 36 transectos –las franjas de tierra previamente demarcadas por los investigadores, de 25 metros por 2,5 metros–, distribuidos en cuatro ambientes distintos: dos en el borde y dos en el interior del cerrado. Mensualmente, cuatro investigadores van al campo para muestrear individualmente cada una de las más de 2 mil plantas. “Analizamos los brotes, la caída foliar, las flores y los frutos”, explica Bruna Alberton, quien participó en las investigaciones de campo durante su maestría en fenología remota y ahora lo hace también durante su doctorado.
Los datos anotados en papel se pasan a una planilla y recién entonces se los carga en la computadora bajo forma de un gráfico. “El uso de tecnología remota permitirá efectuar una estimación de la variación del patrón fenológico de alteración foliar en el transcurso del tiempo, sin necesidad de ir al campo”, dice Torres, quien coordina la investigación en el Recod. Y el banco de datos que se está montando permitirá que el chequeo de datos se realice con suma rapidez. En la torre, aparte de la cámara digital que toma cinco fotografías por hora entre las 6 de la mañana y las seis de la tarde, también se instaló una estación de monitoreo climático.
El análisis foliar fue una de las fases de alteración de las plantas escogidas para la validación del uso de la tecnología de monitoreo remoto. “Logramos demostrar que en el trópico, al igual que en las zonas de climas templados, el monitoreo remoto de las plantas presenta resultados compatibles con las observaciones de campo”, relata. Como la cantidad de especies es mucho mayor en las zonas tropicales, tanto el reconocimiento de patrones como la comprensión del proceso de influencia del clima en la alteración de las fases son más complejos. “Nosotros trabajamos en la validación de los datos de las cámaras con los datos de las observaciones fenológicas realizadas en el suelo”, dice Morellato.
Asimismo, como en el trópico las estaciones no están definidas claramente, los cambios de fase ocurren de manera suave. En los climas templados es más fácil detectar dicho cambios, a ejemplo de la coloración de las hojas de los árboles o la caída de hojas. “En las zonas templadas, los estudios han demostrado que los ciclos fenológicos de las plantas se ven afectados por los cambios climáticos, pero hasta el comienzo del proyecto e-fenología no había iniciativas destinadas a comprender estos ciclos en las zonas tropicales”, dice Torres.
La información del color de las plantas se extrae a partir de los canales de color RGB (rojo, verde y azul) de la imagen tomada por la cámara digital. “El análisis y el procesamiento de las imágenes para la extracción del porcentaje de colores se realizan en la Unicamp, con el apoyo de los investigadores de la Unesp”, dice Torres. Como en el cerrado existen dos estaciones bien definidas, la estación seca y la húmeda, en el transcurso de un determinado período de tiempo es posible ver la variación de colores de esos canales. En la estación seca, por ejemplo, como las hojas adquieren una tonalidad que va del marrón al rojizo, existe un aumento en el canal del rojo.
El grupo de investigación de la Unicamp desarrolló algoritmos y nuevas técnicas basadas en el procesamiento de imágenes y la visión computacional que permiten la identificación automática de ejemplares en la imagen. “Con base en una determinada especie de interés, nuestros programas son capaces de determinar qué otras zonas de la imagen contienen ejemplares de la misma especie, considerando patrones fenológicos y técnicas de aprendizaje de la máquina”, dice Torres. “La fenología remota cuenta con diversas aplicaciones porque es posible monitorear especies en carácter de modelos en un área con diferentes grados de fragmentación en una escala mucho mayor que la que se aplica actualmente”, dice Morellato. Como los datos meteorológicos también son diarios, es posible efectuar análisis coordinados, cosa que no sucedía antes. “Ahora estamos trabajando para mostrar la relación de las alteraciones foliares con las del clima.”
Una aplicación en el campo
Así ha surgido en diversos artículos científicos que se presentarán en conferencias internacionales una nueva representación de los aspectos fenológicos de las plantas. “Decodificamos la información de diversas imágenes tomadas durante un largo período de tiempo en una sola imagen, denominada ritmo visual fenológico”, dice Torres. “La idea consiste en que, en lugar de procesar toda la colección de imágenes para extraer patrones cíclicos, con una representación más sencilla y compacta logramos ofrecer una información equivalente.”
En colaboración con investigadores del área de interfaces del Instituto de Computación, se ha desarrollado una aplicación para teléfonos inteligentes que les permitirá a los biólogos anotar sus observaciones en el campo directamente en el móvil, no necesidad de recurrir al papel. “Los datos nacerán digitalmente, y esto facilitará el proceso de inserción en nuestro banco de datos”, dice Torres. Son distintas estrategias destinadas a esa aplicación que se testearán en campo durante este semestre, a los efectos de evaluar cuál es la más efectiva. Otra vertiente del trabajo, denominada prospección de series temporales, identifica el punto de corte de una alteración, por ejemplo. “Procuramos saber si la variación del verde de una especie se relaciona con aspectos climatológicos tales como la ocurrencia de lluvias, por ejemplo”, dice. También toman parte en el proyecto la Universidad Federal de Rio Grande do Sul, la Pontificia Universidad Católica de Minas Gerais y la Universidad de Lorraine, en Francia.
Proyecto
E-fenología: aplicación de nuevas tecnologías de monitorización de la fenología y de los cambios climáticos en el trópico (nº 2010/ 52113-5); Modalidad Ayuda Regular al Proyecto de Investigación – Programa de Investigación sobre Cambios Climáticos Globales – Convenio FAPESP/ Microsoft; Coord. Leonor Patrícia Cerdeira Morellato/ Unesp; Inversión R$ 331.023,44 (FAPESP).
Artículo científico
ALMEIDA, J. et al. Applying machine learning based on multiscale classifiers to detect remote phenology patterns in cerrado savanna trees. Ecological Informatics. Versión online, 4 jul. 2013.
