Imágenes satelitales e inteligencia artificial para mapear quaresmeiras en el Bosque Atlántico

Un biólogo brasileño aplica esta metodología innovadora para detectar la presencia de árboles del género Pleroma por su floración y relevar su distribución en el bioma

Por Karina Ninni  |  Agência FAPESP – El biólogo Fabien Hubert Wagner logró determinar las existencias y la distribución de quaresmeiras (árboles del género Pleroma) a través de su floración en todo el dominio del Bosque Atlántico. Para ello utilizó imágenes satelitales de acceso gratuito y el denominado aprendizaje profundo o deep learning, un recurso de inteligencia artificial.

Esta detección es posible debido a la coloración de las flores de quaresmeiras, cuyos tonos varían del magenta al violeta. Wagner capturó imágenes satelitales disponibles gratuitamente que cubren el período que va de junio de 2016 a julio de 2020, y luego identificó y diferenció las manchas de color violeta con respecto a otros árboles con la ayuda de recursos de una red neural (aprendizaje profundo).

Según Wagner, investigador en la Fundação de Ciência, Aplicações e Tecnologia Espaciais (Funcate), con sede en la localidad paulista de São José dos Campos, en Brasil, el mapeo de la distribución espacial de una especie de planta constituye un desafío actual en la ecología, y se trata de la primera vez que se emplea esta metodología en el país a tal fin. Actualmente, aún se cuantifica la existencia espacial de las plantas vía estadística, con base en informaciones sobre el clima y las precipitaciones, entre otras.

“El método que aplicamos es bastante reciente: hay dos o tres personas publicando sobre esto actualmente. Existen estudios en Panamá y en Costa Rica, pero en bosques pequeños. Acá en Brasil, desarrollé [esta técnica] en 2018 para mapear de manacás-da-serra [Pleroma mutabile], en un primer trabajo realizado con imágenes de muy alta resolución. En este estudio con las quaresmeiras, se emplearon imágenes de mediana resolución, en las cuales un píxel representa 10 metros cuadrados. En este caso, lo que pude ver fueron grupos de árboles de la misma especie. Por suerte, Pleroma existe en agrupamientos y se trata de árboles muy comunes, muy conocidos.”

Se utilizaron 33.798 imágenes de los satélites Sentinel-2 para detectar y mapear la existencia de quaresmeiras. El artículo salió publicado en la revista Scientific Reports.

“Son imágenes que cubren juntas el área que necesitamos. Cabe recordar que existen dos vertientes que deben tenerse en cuenta: la temporal, pues las imágenes se toman cada cinco días, y la vertiente del área que se puede cubrir con las imágenes gratuitas. Pensé mucho el tema de la gratuidad, porque las imágenes con mayor resolución son caras. Pero a los datos en los que se basa este artículo puede bajarlos cualquier persona”, dice Wagner.

Este trabajo contó con el apoyo de la FAPESP mediante un proyecto de Ayuda de Investigación – Apoyo a Jóvenes Investigadores, y a través de una beca de Apoyo a Jóvenes Investigadores, en ambos casos con Wagner beneficiario.

Aprendizaje profundo

El científico explica que entrenó a la red neural para reconocer las flores de quaresmeira y otras parecidas, como las del lapacho rosado, por ejemplo. “El lapacho rosado tiene flores más o menos del mismo color que las de quaresmeira, pero esta última especie proyecta un color rosa muy uniforme, porque es un árbol pequeño que existe en grupos, y no se logra diferenciar las copas individuales de esos árboles. En tanto, los lapachos son muy altos y generalmente aparecen solitarios en bosques muy sombreados.”

Tras la detección del algoritmo, el ojo humano logra distinguir entre lapachos y quaresmeiras durante el análisis de los resultados.

El investigador optó por las técnicas de aprendizaje profundo, que logran realizar tareas que un humano puede realizar, pero en forma más rápida y más consistente.

“Las técnicas tradicionales de aprendizaje de máquinas consideran solo un píxel. El aprendizaje profundo considera al píxel y también a sus vecinos. Y permite entender mejor el contexto, mediante información extra. Logra diferenciar qué es y qué no es información de interés para la investigación. Es más potente, puesto que es capaz de realizar tareas humanas, aquellas que logramos realizar con el sentido de la visión.”

Para entrenar al modelo, el científico usó más de 100 mil imágenes como muestras. “Pero son muy pequeñas, recortes que representan poco más de un kilómetro cuadrado. Como yo había realizado un trabajo anterior cubriendo la zona de Serra do Mar, ya contaba con imágenes mapeadas y sabía dónde hallar las muestras.”

El método que Wagner desarrolló podría emplearse para detectar la existencia de otros tipos de árboles que dan flores de diversos colores. “Sería posible mapear también árboles con flores amarillas. No elegí ese color porque se hace un poco más difícil observarlo en medio del verde del monte. Pero sería posible.”

La floración

Los resultados de este trabajo muestran que en el 13,2 % de los píxeles del Bosque Atlántico brasileño (139.960 píxeles) aparecieron árboles con flores de color rosa o magenta, fundamentalmente quaresmeiras y, en menor proporción, lapachos rosados.

De acuerdo con Wagner, la floración de los árboles de quaresmeira ocurre en momentos distintos en los diversos lugares que componen el bioma, cosa que dificulta un poco el trabajo. “Yo estaba esperando una floración solamente, y entonces sería todo perfecto. Es muy interesante, porque existen varios patrones distintos de floración y eso yo no me lo esperaba.”

El investigador aclara que la idea inicial del trabajo era estudiar la floración para determinar los efectos de los cambios climáticos y las precipitaciones. “Si hubiese floraciones más o menos al mismo tiempo, pero en ambientes con climas distintos, podría entender más sobre la biología del género. Pero no es así: hay mucha diversidad. Hay otras cosas interesantes por investigarse, pero correlacionar la floración con los aspectos climáticos aún no es posible.”

La quaresmeira es lo que se denomina una planta pionera: cuando hay desmonte, es la primera que llega al área devastada.

“Tiene una tendencia a propagarse por áreas degradadas. Y el hecho de haber detectado su existencia en determinados lugares puede significar que son zonas que están recuperándose. Yo ya había observado esto junto con otros colegas en el trabajo con las imágenes de alta resolución, pues teníamos fotos aéreas de Serra do Mar de la década de 1960, y con ellas fue posible ver que esos árboles aparecían fundamentalmente donde había pasturas.”

Las sierras y las mesetas

Wagner explica que las sierras constituyen los sitios de mayor existencia de quaresmeiras. “El patrón de detección observado parece estar relacionado con las elevaciones del lado de la costa atlántica, es decir, con las cadenas montañosas conocidas como sierras, pues el 26,6 % de las detecciones se concretó en las cinco principales sierras brasileñas”. Las proporciones de detección en las sierras fueron las siguientes: Serra do Mar (9,3 %), Serra da Mantiqueira (Caparaó: 7,5 % e Itatiaia: 6,6 %), Serras do Leste Catarinense (1,2 %), Serras do Quadrilátero Ferrífero (1,1 %) y Serras do Espinhaço Meridional (1 %). Asimismo, el 17,9 % de las detecciones se concretó en mesetas de las cercanías de las sierras, tales como Planalto de Paranapiacaba (6,2 %), Planalto dos Campos das Vertentes (5,7 %), Planalto do Alto Rio Grande (3 %) y Planalto de Poços de Caldas (3 %).

Sitios con alta densidad de detección, mayores que 100 kilómetros, se observaron al norte de la ciudad de Curitiba, en el estado del Paraná, y al sur de la ciudad de São Paulo, regiones formadas por Serra do Mar y Planalto de Paranapiacaba.

Para Wagner, los próximos pasos comprenderían diferenciar entre las especies que aparecen por kilómetro cuadrado. “Hay una mezcla de especies dentro del mismo kilómetro cuadrado, con floraciones diferentes y, en ese caso, sería necesario separar exactamente cada árbol, lo que se haría píxel por píxel. Es posible hacerlo, pero es sumamente trabajoso y requiere tiempo. Sería el próximo paso.”

Puede accederse a la lectura del artículo The flowering of Atlantic Forest Pleroma trees en el siguiente enlace: www.nature.com/articles/s41598-021-99304-x.