En el ámbito de la agricultura, los drones se utilizan para diseminar semillas o esparcir fertilizantes con precisión, economizando tiempo y dinero. Cuando éstos se combinan con sensores e inteligencia artificial, son capaces de realizar teledetección, tal como se hace con satélites y aviones, monitorear grandes extensiones de cultivos, ejecutar análisis precisos de los elementos químicos del suelo o detectar problemas, como en el caso de la erosión. Una de las técnicas más avanzadas en esta área, conocida por su denominación en inglés Synthetic Aperture Radar (SAR), o radar de apertura sintética, ha sido perfeccionada por la startup Radaz, una empresa brasileña surgida en 2017 en la Universidad de Campinas (Unicamp) y ahora con sede en São José dos Campos, en el interior del estado de São Paulo.
“Se trata de una tecnología innovadora con un enorme potencial para generar una amplia variedad de productos, atendiendo a diversos segmentos del mercado”, sostiene el ingeniero electricista Hugo Enrique Hernández Figueroa, de la Facultad de Ingeniería Eléctrica y Computación (Feec) de la Unicamp, quien dirigió el equipo a cargo del desarrollo de un radar acoplado a un pequeño dron. Para ello, el grupo tuvo que miniaturizar el hardware electrónico y las antenas del radar. El principio de funcionamiento del SAR, explica el investigador, consiste en el uso del radar en movimiento emulando a una antena considerablemente mayor que las que componen el propio radar. Como la directividad de la antena aumenta con su tamaño, la resolución del sistema también se incrementa.
A través de su antena, el radar emite pulsos de ondas electromagnéticas que son reflejadas por los obstáculos que estas encuentran en el suelo. Luego, la antena capta estas ondas mientras el radar se desplaza a bordo de un avión, un satélite o un dron. El movimiento del radar a lo largo de su trayectoria crea una antena virtual de grandes dimensiones, lo que permite realizar observaciones detalladas y de alta resolución.
El principio de funcionamiento del SAR es similar al de la interferometría, en la que la combinación de varias antenas de radio simula una única antena de grandes dimensiones que guarda relación con la trayectoria recorrida. Si el dron se desplaza 100 metros (m) en línea recta, el SAR puede emular a una antena de 100 m de apertura; si la trayectoria fuera circular, con un radio de 300 m, el radar emulará a una antena en forma de espiral de 300 m de radio.
El SAR fue desarrollado en Estados Unidos en la década de 1950 y ha sido utilizado desde la década de 1960 en satélites y sondas espaciales, por ejemplo, para cartografiar el relieve de Venus, oculto por nubes compuestas por gotas microscópicas de ácido sulfúrico y otros aerosoles. A principios de la década de 2000, fue acoplado a drones de gran porte de uso militar. La creciente miniaturización de los componentes electrónicos y el auge de los drones cimentaron la posibilidad de acoplar sistemas SAR en aparatos más pequeños, de uso civil.
“El reto radicaba en hacerlo, ya que nadie lo hacía”, comenta Figueroa. El primer informe de un SAR acoplado a un dron se remonta a 2016, en la Universidad de Texas (EE. UU.), pero se trataba de una versión artesanal y generaba imágenes de baja calidad. La empresa paulista apostó por un desarrollo propio, con tres bandas (o franjas) espectrales, incluyendo un sistema de navegación inercial avanzado (véase la infografía abajo).
Con su equipo, el investigador de la Unicamp se abocó a la tarea de reducir el tamaño de un dispositivo de 100 kilogramos (kg), que solo podía utilizarse en aviones, a uno que pesa 5 kg y puede adosarse a pequeños drones. La ingeniera electrónica Laila Moreira, directora técnica de Radaz, integrante del equipo que desarrolló el aparato en la Unicamp, comenta que otra modificación importante fue la incorporación de un software para procesar e interpretar las imágenes, basado en redes neuronales artificiales.
El apoyo de la FAPESP, a través del Programa de Investigación Innovadora en Pequeñas Empresas (Pipe), facilitó la transformación del prototipo, finalizado en 2017, en un dispositivo comercial. Los resultados iniciales con el monitoreo de plantaciones de eucalipto y caña de azúcar salieron publicados en febrero y abril de 2020 en la revista Remote Sensing.
El dron ejecuta básicamente dos trayectorias de vuelo: lineal, en una única dirección, y helicoidal, en forma de espiral descendente, simulando el formato de una antena parabólica, lo que aumenta la resolución del radar. Los pulsos emitidos por el radar en su trayectoria helicoidal, y posteriormente reflejados por las diferentes estructuras subterráneas, proporcionan datos pormenorizados del subsuelo. Esta información se procesa mediante el llamado algoritmo de retroproyección, de uso habitual en las tomografías, que reconstruye imágenes tridimensionales de los pulsos reflejados.
El dispositivo cuenta con tres antenas y cada una de ellas opera en una banda distinta. La banda C recopila información de la capa más alta de la vegetación e informa sobre el crecimiento de las plantas. La banda L penetra hasta la vegetación situada por debajo de las copas de los árboles y puede utilizarse para medir el volumen de una plantación, o bien, en el vuelo helicoidal, para captar datos sobre el suelo. En tanto, la banda P penetra en el terreno y recoge información hasta los 50 cm de profundidad en vuelo lineal y hasta 100 m en el vuelo helicoidal. Según informa Radaz, no existe ningún otro aparato en el mundo con esta configuración.
En pruebas de campo que se llevaron a cabo en 2022, la banda P detectó nidos de hormigas cortadoras en plantaciones de eucalipto y pino pertenecientes a la empresa fabricante de papel Klabin, en el estado de Paraná. El dispositivo identificó 29 hormigueros desconocidos que se extendían por superficies de entre 1 y 100 metros cuadrados (m2) en una plantación de eucaliptos situada en el municipio de Ortigueira (Paraná). El aparato reveló que los nidos de las hormigas alcanzaban profundidades de hasta 7 m, tal como se detalla en un artículo publicado como preprint depositado en el repositorio arXiv en diciembre de 2024.
Este fue “el primer registro mundial de un hormiguero situado bajo tierra utilizando esta tecnología”, dijo el gerente de investigaciones y desarrollo forestal de Klabin, Bruno Afonso Magro, en declaraciones a la Agência FAPESP en julio de 2022. Normalmente monitoreadas por muestreo de la superficie ocupada con intervención humana, las hormigas cortadoras de hojas o jardineras construyen nidos que reducen la productividad del suelo hasta en un 15 %.
En otra prueba, también divulgada en diciembre en el repositorio arXiv, el dispositivo reconoció la altura y la fase de crecimiento de 340 plantines de caña de azúcar plantados en un área experimental de 20.000 m2 de la Facultad de Ingeniería Agrícola (Feagri) de la Unicamp. En un informe presentado en 2024 en un congreso en Atenas (Grecia), el equipo obtuvo un 100 % de precisión en la búsqueda de esqueletos de vacas y cerdos enterrados a 1,5 m de profundidad. El dispositivo también registra el hundimiento, la erosión y la humedad del suelo.
Divulgación RadazDetalle del dispositivo acoplado al dron (a la der.) y el radar que se está probando en los laboratorios de la startupDivulgación Radaz
Demanda extranjera
El sistema desarrollado por Radaz también ha sido utilizado, con buenos resultados, para seguir el crecimiento de un cañamelar en una finca de São Paulo y para localizar yacimientos de mineral de hierro, según informa el ingeniero electrónico Fernando Ikedo, director comercial de Radaz. Por motivos contractuales, el nombre de los clientes no puede revelarse.
El mercado de la teledetección con drones parece tener potencial de crecimiento. Según Ikedo, la facturación de la startup pasó de 1,1 a 5,1 millones de reales entre 2022 y 2023. En 2024, ascendió a 17,3 millones de reales, en su mayoría, fruto de las ventas a interesados en el extranjero.
Uno de los clientes es el físico Henrik Persson, de la Universidad de Ciencias Agrícolas de Suecia, quien utiliza el dron con radar para evaluar la biomasa y el metabolismo de los árboles, la humedad del suelo, las napas freáticas y los estratos rocosos subterráneos. “Las mediciones tomográficas han posibilitado nuevas investigaciones sobre las condiciones del suelo, que por lo general todavía se realizan mediante la extracción de muestras, una tarea costosa, lenta y tediosa”, declaró a Pesquisa FAPESP.
Por su parte, la empresa británica Surveyar adquirió la innovación para mapear las madrigueras de los castores, que causan daños a los agricultores porque construyen diques en cursos de agua que inundan las plantaciones. Según informa para la redacción de este reportaje el director de la empresa, William Kirk ‒quien descubrió la existencia de Radaz al leer artículos de científicos brasileños sobre la detección de hormigueros‒ el experimento dio resultado y ello llevó a utilizarlo para detectar la humedad del suelo y la vegetación, vigilar las deformaciones del suelo, realizar mediciones de biomasa e identificar objetos enterrados.
Los próximos desafíos
Sin equipos análogos en el mercado nacional, esta nueva tecnología se enfrenta al reto de explorar nuevos mercados. En función del costo de los componentes electrónicos y la tecnología de punta implicada, el dispositivo completo no se comercializa por menos de 1 millón de reales, eso sin contar el valor del dron. También tiene incidencia la existencia de otras tecnologías complementarias de menor costo que responden a demandas específicas de los productores rurales. Pero ninguna de ellas ofrece las funcionalidades del dispositivo de Radaz.
Según cuál sea al objetivo perseguido, el seguimiento de los cultivos puede realizarse con simples cámaras convencionales, del tipo RGB, que solamente captan el espectro visible y pueden adquirirse por un precio que va de 12.000 a 60.000 reales. En cambio, las multiespectrales, que abarcan otras frecuencias como el infrarrojo, cuestan hasta 300.000 dólares. Los dispositivos de este tipo son capaces de proporcionar datos satisfactorios sobre el crecimiento, el volumen de la biomasa y el estado de salud de las plantas, según el ingeniero ambiental Lucas Osco, de la Universidade do Oeste Paulista (Unoeste) y de la división Instrumentación de la estatal Empresa Brasileña de Investigación Agropecuaria (Embrapa), con sede en la ciudad de São Carlos, quien trabaja con teledetección.
Otra alternativa, según Osco, es la tecnología lídar (detección de luz y medición de distancias), que utiliza haces de luz láser en lugar de pulsos de radar. Con precios que parten de los 100.000 reales y pueden ascender hasta alrededor de 1 millón de la misma moneda, la técnica produce mapeos tridimensionales minuciosos, pero tiene restricciones de visibilidad, lo que da lugar al uso del SAR.
Las tecnologías innovadoras dirigidas al campo también necesitan solucionar problemas que tienen que ver con las normativas y la capacitación de los operadores. Asimismo, enfrentan cierta oposición por parte de los agricultores brasileños que, en el pasado reciente, obtuvieron resultados inferiores a los esperados con los drones que prometían incrementar la producción. “Los productores optan por tecnologías que ya están afianzadas, con altos beneficios asegurados. Esto dificulta la venta de productos innovadores”, dice el ingeniero agrónomo José Marques Júnior, de la Universidade Estadual Paulista (Unesp), en su campus de Jaboticabal, experto en análisis de suelos (lea en Pesquisa FAPESP, edición nº 336).
Este artículo salió publicado con el título “Una visión profunda del campo” en la edición impresa n° 349 de marzo de 2025.
Proyectos
1. Un radar de teledetección transportado en dron (no 19/22222-1); Modalidad Programa de Investigación Innovadora en Pequeñas Empresas (Pipe); Investigador responsable Dieter Lubeck (Radaz); Inversión R$ 902.269,23.
2. Metasuperficies totalmente dieléctricas fuertemente resonantes basadas en modos cuasi oscuros y toroidales (no21/06506-0); Modalidad Ayuda de Investigación – Regular; Acuerdo de Cooperación Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR), Italia; Investigador responsable Hugo Enrique Hernández Figueroa (Unicamp); Inversión R$ 225.357,66.
Artículos científicos
LUEBECK, D. et al. Drone-borne differential SAR interferometry. Remote Sensing. v. 12, n. 5, 778. 29 feb. 2020.
ORÉ, G. et al. Crop growth monitoring with drone-borne DInSAR. Remote Sensing. v. 12, n. 4, 615. 12 feb. 2020.
ORÉ, G. et al. Predicting sugarcane harvest date and productivity with a drone-borne tri-band SAR. Remote Sensing. v. 14, n. 7, 1734. 4 abr. 2022.
ORÉ, G. et al. Soil moisture estimation of bare and vegetation-covered areas using a P/L/C-band SAR. ArXiv. 16 dic. 2024.
ORÉ, G. et al. Ant nest detection using underground P-band TomoSAR. ArXiv. 16 dic. 2024.
ORÉ, G. et al. Locating buried bodies using SAR tomography. IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium. 7-12 jul. 2024, Atenas.
