Master Thesis ǀ Tesis de Maestría submitted within the UNIGIS MSc programme presentada para el Programa UNIGIS MSc at/en
Interfaculty Department of Geoinformatics- Z_GIS Departamento de Geomática – Z_GIS University of Salzburg ǀ Universidad de Salzburg
Análisis del comportamiento de partículas de suelo durante la construcción de terrazas agrícolas mediante técnicas fotogramétricas (SfM) en Azuay-Ecuador Analysis of soil particle behavior during the construction of agricultural terraces using photogrammetric techniques (SfM) in Azuay-Ecuador by/por
Ing. Mateo Damián López Espinoza 11825810 A thesis submitted in partial fulfilment of the requirements of the degree of Master of Science– MSc Advisor ǀ Supervisor: Leonardo Zurita Arthos PhD
Cuenca-Ecuador, Agosto 2021
COMPROMISO DE CIENCIA Por medio del presente documento, incluyendo mi firma personal certifico y aseguro que mi tesis es completamente el resultado de mi propio trabajo. He citado todas las fuentes que he usado en mi tesis y en todos los casos he indicado su origen.
Cuenca, 18 de Agosto de 2021 _____________________________________________________________________ Lugar, Fecha
(firma)
AGRADECIMIENTO Me es grato decir que este trabajo no se hizo solo, se hizo con el esfuerzo de muchas personas entre ellas un agradecimiento especial al Ing. Eduardo Tacuri, quien desde la dirección de Carrera de la Facultad de Agronomía de la Universiada de Cuenca permitió la gestión y uso de los predios para el desarrollo de este experimento, mi agradecimiento a los trabajadores y empleados de la granja “El Romeral” y sin olvidar a los estudiantes que también colaboraron con las jornadas de preparación del suelo que en el los 2 meses de duras labores, pudieron responder con la mejor actitud, consientes del trabajo que fue necesario hacer. A los docentes de UNIGIS en la cabeza mi Profesor asignado Jorge Rubiano, quien por un largo periodo supo guiar la elaboración de este documento. Y finalmente mi agradecimiento a mi familia que también estuvieron pendientes y brindaron todo el apoyo al realizar viajes, compra de materiales y lo más importante todos que fueron el sostén físico y psicológico a treves de los duros momentos en el 2019-2020 en medio de la emergencia sanitaria “covid19”. Por ellos y por todos ustedes mis más sinceros agradecimientos. Cuenca, 13 de Julio de 2021
DEDICATORIA
La elaboración de este trabajo no fue fácil y más aun en medio de una emergencia sanitaria, y nada de esto hubiera sido posible sin el apoyo de mis padres y hermanos, por eso este esfuerzo es dedicado para ellos: Dora, Mayita, Kety, Henry, María Isabel, Xavier, Camilo. Ustedes son el motor de mi esfuerzo y son la razón de quien soy, por eso además de darles las gracias, les dedico este humilde aporte, que pretende ser un escalón más en mi formación profesional, esperando devolver un poco todo el cariño y amor brindado.
Cuenca, 13 de Julio de 2021
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RESUMEN La conservación de suelos se ha visto representada a través de la historia con prácticas ancestrales como la construcción de terrazas agrícolas, actualmente este tipo de prácticas siguen vigentes. Por otro lado, el avance tecnológico ha permitido crear un sin número de técnicas de medición, análisis y manejo de datos que permitieran mostrar nuevos enfoques con herramienta con características de representación espacial y temporal de la información. Es así que la fotogrametría con el uso de los vehículos aéreo no tripulados, junto con técnicas de reconstrucción de nubes de puntos, como es el algoritmo Structure for motion (SfM), permiten representar topográficamente modelos a detalle en tercera dimensión. En esta investigación, se propone una metodología en donde se conjugan procesos de construcción de un área piloto que representa las características de pendientes en el austro del Ecuador, en donde se parte desde la preparación del suelo hasta la construcción y formación de terrazas agrícolas de banco. Al mismo tiempo se distinguen 4 momentos importantes (denominadas campañas) en el proceso de construcción de dichas terrazas y se realizan 4 vuelos fotogramétricos por cada momento definido con el fin de levantar datos representativos y confiables que representen el comportamiento de las partículas. Como resultado se obtuvieron 16 nubes de puntos producidas mediante el flujo de procesos fotogramétrico, todas ajustadas a un marco de referencia horizontal y vertical en común. Estas 16 nubes de puntos demostraron homogeneidad en los datos al momento de las condiciones de medición y se las procedió a agrupar en 5 combinaciones (productos de las 4 campañas de campo). A estas combinaciones se calculó las diferencias positivas, negativas y generales entre volúmenes, para finalmente modelar el comportamiento espacial mediante una herramienta para la detección espacial de cambios que permitió visualizar las características de depósito o erosión de las partículas visualmente. Como grandes hallazgos se pudo observar que los mayores cambios en volúmenes se dieron en la primera combinación que representa la intervención de un arado de vertedera vs un arado de disco y un segundo hallazgo fue el poder observar la estabilización de las terrazas una vez construida ya que las partículas de suelo únicamente cambian de posición y no se produce cambios representativos en los volúmenes. Palabras clave: fotogrametría, nubes de puntos, terraza, partículas de suelo, conservación de suelo, volumen.
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ABSTRACT Soil conservation has been represented throughout history with ancestral practices such as the construction of agricultural terraces, a practice that continue to see use in the present day. On the other hand, technological advances have allowed the creation of a number of techniques for measurement, analysis and data management. These methods allow for new approaches involving tools allowing for space and time visualizations. Thus, photogrammetry with the use of unmanned aerial vehicles, together with point cloud reconstruction techniques, such as the Structure for motion (SfM), allows for representation of topographic 3D detail models. This research proposes a methodology to supervise the construction of terraces on a new area that represent the characteristics of slopes in the south of Ecuador. It starts from the preparation of the soil to the construction and formation of agricultural terraces. At the same time, 4 important moments (called campaigns) are distinguished in the terraces construction process and 4 photogrammetric flights are carried out for each defined moment in order to raise representative and reliable data. As a result, 16-point clouds were obtained through the flow of photogrammetric processes, all adjusted to common horizontal and vertical control points. These 16-point clouds demonstrated homogeneity in the data at the time of measurement conditions. The point clouds were grouped into 5 combinations (products from the 4 field campaigns). These combinations were calculated as the positive, negative and general volume differences, and finally model spatial behavior using a tool for change detection that allowed to visualize the deposition or erosion of the particles. As a big find, we could observe that the biggest changes in volumes were in the first combination that represents the intervention of a moldboard plow vs a disc plow, the second finding was to be able to observe the stabilization of the terraces because soil particles only change position and there are no representative volume changes. Keywords: photogrammetry, point clouds, terrace, soil particles, soil conservation, volume.
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CONTENIDO Capítulo 1.
INTRODUCCIÓN ...................................................................................... 9
1.1.
ANTECEDENTES ................................................................................................. 9
1.2.
OBJETIVOS Y PREGUNTAS DE INVESTIGACIÓN ...................................... 11
1.2.1.
Objetivo general ............................................................................................ 11
1.2.2. Objetivos específicos.......................................................................................... 11 1.2.3.
Preguntas de investigación ............................................................................ 11
1.3.
HIPÓTESIS .......................................................................................................... 11
1.4.
JUSTIFICACIÓN ................................................................................................. 11
1.5.
ALCANCE............................................................................................................ 13
Capítulo 2. 2.1.
REVISIÓN DE LA LITERATURA ......................................................... 14
EL SUELO ............................................................................................................ 14
2.1.1.
PENDIENTE DE TERRENO ....................................................................... 14
2.1.2.
. CONSERVACIÓN DE SUELOS ............................................................... 16
2.1.3.
EROSIÓN ...................................................................................................... 16
2.2.
TERRAZAS AGRÍCOLAS .................................................................................. 18
2.2.1.
IMPORTANCIA HISTÓRICA EN LA REGIÓN DE LOS ANDES ........... 19
2.2.2.
CONSTRUCCIÓN DE TERRAZAS ............................................................ 19
2.3.
TELEDETECCIÓN AMBIENTAL ..................................................................... 23
2.3.1.
SENSORES Y PLATAFORMAS ................................................................. 24
2.3.2.
PLATAFORMAS UAV/DRONE/VANT ..................................................... 25
2.3.3.
FOTOGRAMETRÍA AÉREA DIGITAL ..................................................... 27
Capítulo 3.
METODOLOGÍA..................................................................................... 36
3.1.
ÁREA DE ESTUDIO ........................................................................................... 37
3.2.
MÉTODOS ........................................................................................................... 39
3.2.1.
MATERIALES .............................................................................................. 42
3.2.2.
FASE 1: CONTROL HORIZONTAL Y VERTICAL .................................. 43
4
3.2.3.
. FASE 2: IMPLEMENTACIÓN DEL ÁREA PILOTO .............................. 43
3.2.4.
FASE 3: LEVANTAMIENTO FOTOGRAMÉTRICO ................................ 47
3.2.5.
FASE 4: POS PROCESO DE LA INFORMACIÓN .................................... 49
3.2.6.
FASE 5: COMPARACIÓN DE RESULTADOS ......................................... 49
Capítulo 4. 4.1.
RESULTADOS .................................................................................................... 52
4.1.1. 4.2.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN .............................................................. 52
IMPLANTACIÓN DE UN ÁREA PILOTO ................................................ 52
DISCUSION ......................................................................................................... 77
Capítulo 5.
CONCLUSIONES .................................................................................... 81
Capítulo 6.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..................................................... 84
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GLOSARIO 2D
Gráficos de 2 dimensiones: largo y ancho
3D
Gráficos de 3 dimensiones: largo, ancho y profundidad
ASPRS American Society for Photogrammetry and Remote Sensing ESRI
Environmental Systems Research Institute
FAO
Food and Agriculture Organization
GAD
Gobierno autónomo descentralizado
GNSS
Global Navigation Satellite System
GPS
Global position System
IGM
Instituto Geográfico Militar
IMU
Inertial measurement unit
LAS
Laser format
LIDAR Light Detection and Ranging o Laser Imaging Detection and Ranging RGB
Red, green, blue
SfM
Structure for motion
UAV
Unmanned aerial vehicle
USDA
United States Department of Agriculture
VANT
Vehículos aéreos no tripulados
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ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1: Relación altura y base para la obtención de la pendiente ................................... 15 Figura 2:Factores que afectan la erosión causada por el agua ............................................. 17 Figura 3: Tipos de terrazas acanaladas ................................................................................ 20 Figura 4: Terrazas de bancal, a)bancal horizontal, b)Bancal inclinado, c) Bancal de pendiente Invertida, d)terraza de irrigación. ........................................................................................ 21 Figura 5:Sección trasversal de una terraza de bancal con 30% de pendiente ..................... 22 Figura 6:Sistema de trazado y construcción de terrazas de banco. ..................................... 23 Figura 7: Representación de cálculo de diferentes alturas en una reconstrucción fotogramétrica. ..................................................................................................................... 28 Figura 8: fotograma y detalle de punto de control............................................................... 29 Figura 9:Marcas fotogramétricas ......................................................................................... 29 Figura 10: Representación de la extracción de puntos clave en escenas 3D a partir de imágenes mediante el algoritmo SfM .................................................................................. 32 Figura 11: Nube de puntos ................................................................................................. 34 Figura 12: Gráfico de ubicación del área de estudio, a) Ubicación local, b) Ubicación a nivel Nacional, Ecuador continental ............................................................................................. 37 Figura 13:Gráfico de localización del área piloto al interior de la granja “El Romeral”. ... 39 Figura 14: Flujograma ......................................................................................................... 41 Figura 15:Agronivel ........................................................................................................... 45 Figura 16:Ilustracicón de proceso de trazado de contornos para construcción de curvas de nivel. .................................................................................................................................... 46 Figura 17:Planificación de vuelo para volar el área piloto. ................................................. 48 Figura 18:Distribución de puntos de control horizontal y vertical ...................................... 53 Figura 19: Mojones monumentados. ................................................................................... 53 Figura 20:Precisiones alcanzadas en el pos proceso de levantamiento GNSS .................... 54 Figura 21: Imagen 21a,21b,21c que representan el estado inicial del área piloto ............... 56 Figura 22:imagen 22a,22b,22c, empleo de maquinaria para el destronque, remoción y primer movimiento del suelo. ......................................................................................................... 56 Figura 23: Imagen 23a, 23b, mullido del suelo con intervención de maquinaria Agrícola con apero de vertedera. ............................................................................................................... 57
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Figura 24: Imagen 24a, 24b, mullido del suelo con intervención de maquinaria agrícola con apero de disco. ..................................................................................................................... 57 Figura 25: Imagen 25a, 25b,25c, 25d empleo de niveles en “A” y herramientas de labranza para construcción manual de terrazas de banco................................................................... 58 Figura 26: Imagen 26a,26b,26c resultado de la etapa del periodo de reposo y estabilización de 3 meses ............................................................................................................................ 59 Figura 27::Resultado de conjunto de datos levantados en 4 momentos de la construcción de las terrazas. .......................................................................................................................... 60 Figura 28:Resultado de una de las nubes de puntos correspondientes al levantamiento C. 61 Figura 29:Comparación de pares para volúmenes positivos ............................................... 69 Figura 30: Comparación de pares para volúmenes negativos. ............................................ 70 Figura 31: Comparación de pares para volúmenes generales ............................................. 71 Figura 32:Análisis de detección de cambios para el levantamiento “B” vs “C” (B_v/C_v)73 Figura 33: Análisis de detección de cambios para el levantamiento “C” vs “D” (C_v/D_v). ............................................................................................................................................. 74 Figura 34: Análisis de detección de cambios para el levantamiento “D” vs “E” (D_v/E_v). ............................................................................................................................................. 75 Figura 35: Análisis de detección de cambios para el levantamiento “B” vs “E” (B_v/E_v). ............................................................................................................................................. 76 Figura 36: Análisis de detección de cambios para el levantamiento “B” vs “D” (B_v/D_v). ............................................................................................................................................. 77 Figura 37: Comparación de las medias de tratamientos entre volúmenes calculados en metros cúbicos para valores positivos, negativos y generales, ordenados según combinaciones de tratamientos ......................................................................................................................... 81
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ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1: Clasificación de pendientes ................................................................................... 15 Tabla 2: Cálculo de bancales a talud 1:1 en función de la pendiente ................................. 22 Tabla 3:Relaciones de comparación establecidas. ............................................................... 50 Tabla 4:Puntos de control calculados. ................................................................................. 55 Tabla 5: resultados obtenidos de 16 mediciones producto de 4 momentos con 4 repeticiones ............................................................................................................................................. 63 Tabla 6: Diferencia de Volúmenes Calculados (m3)........................................................... 64 Tabla 7:ANOVA de factor único para los volúmenes positivos. ........................................ 65 Tabla 8: ANOVA de factor único para los volúmenes negativos. ...................................... 66 Tabla 9: ANOVA de factor único para los volúmenes generales........................................ 67 Tabla 10:Test de Tukey, para comparación de pares para valores de volúmenes positivos 68 Tabla 11: Test de Tukey, para comparación de pares para valores de volúmenes negativos ............................................................................................................................................. 70 Tabla 12: Test de Tukey, para comparación de pares para valores de volúmenes generales. ............................................................................................................................................. 71
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CAPÍTULO 1.
INTRODUCCIÓN
La erosión es un fenómeno que provoca el deterioro de los suelos, fenómeno que se presenta en especial en las zonas alto andinas de fuertes pendientes. Como consecuencias adicionales a la erosión se disminuye la fertilidad del suelo contribuyendo a la destrucción del paisaje. Este fenómeno se maneja desde la época precolombina con la construcción de terrazas por parte de culturas andinas, donde se vio la importancia de usar técnicas de conservación para cuidar el suelo y consecuentemente la seguridad alimentaria de la población. Para comprender el efecto de prácticas de conservación como la construcción de terrazas, se propone el uso de las nuevas tecnologías de medición como la fotogrametría digital. Por medio de esta tecnología, es posible conocer en detalle la topografía del terreno y consecuentemente los procesos de movimiento de las partículas del suelo, permitiendo cuantificar volúmenes de una manera rápida, oportuna y precisa. Si bien hasta el momento existen técnicas de medición bastante precisas, no muchas veces suelen ser asequibles ya que dependen de un alto nivel de conocimiento y disponibilidad de equipos complejos (equipos topográficos), además que exigen personal entrenado que sepan usar aplicativos específicos para procesar los datos. Con el rápido avance de la tecnología de vuelos no tripulados para realizar levantamiento de nubes de puntos, las tareas de levantamiento de información han simplificado. El presente proyecto presenta la implementación de este enfoque, aplicado a la comprensión de la dinámica del movimiento de las partículas del suelo frente a un proceso de construcción de terrazas en un área piloto en la provincia de Azuay, Ecuador.
1.1. ANTECEDENTES Dentro de líneas de investigación que posee la Carrera de Ingeniería Agronómica de la facultad de Ciencias Agropecuarias de la Universidad de Cuenca, una de ellas es la Conservación de Recursos. Dentro de dicha línea, se pretende abordar diferentes temáticas alrededor de recursos: agua, aire, y suelo, con un enfoque de implementación de nuevas tecnologías. En este sentido las cátedras de sistemas de información geográfica, teledetección ambiental, topografía, y tecnologías de la computación se vuelven materias que brindan herramientas para la realización de investigaciones alrededor de los recursos mencionados anteriormente.
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En el mismo sentido según la Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (FAO), en 2013 designó para el año 2015 el año internacional de los suelos (FAO, 2014), demostrar la importancia de este recurso al usar la siguiente frase: “Suelos sanos para una vida sana”, de esta forma se resaltó el recurso suelo ya que procesos de crecimiento demográfico, deforestación, y explotación del recurso han llevado a tratar estos temas con más importancia. Actualmente existen diversos métodos de cuantificación de la erosión, Hudson (1997) en el boletín 68 de conservación de suelos de la FAO, define diferentes métodos que permiten hacer estimaciones de dos situaciones: a) calcular cuánto se ha perdido de un lugar, b) cuánto se ha acumulado en otro lugar y gracias a surcos, vías de escorrentía, cárcavas, y pozos de medición se ha monitoreado al suelo. Estos métodos permiten estimar el movimiento del suelo, suelen ser métodos sencillos y no requieren de personal altamente capacitado ya que se usan, varillas, pozos, secciones trasversales, cintas, contenedores plásticos, parcelas de escorrentía, etc. (considerando como métodos sencillos y económicos). De igual manera, León (2007) menciona que estos métodos son ideales para realizar estimaciones y recoger valores que permiten extrapolar el comportamiento de un sitio de medición a toda una parcela o sector. Métodos más complejos, como el rastreo atómico de cesio 137 analizado por Fulajtar, Mabit,
Renschler, y LeeZhiYi (2017), permiten también observar el movimiento de
partículas de suelo, esta vez con métodos más costosos por el uso de instrumental y reactivos poco convencionales. Departamentos de investigación como el Earth and Life Institute, en la Universidad Católica de Lovaina muestran que, con el uso de las nuevas tecnologías como son los vehículos aéreos no tripulados, es factible, tanto en precisión como en asequibilidad, realizar mediciones sobre el terreno para monitorizar diferentes fenómenos (Clapuyt, Vanacker, y Van Oost, 2016). De esta manera al juntar la necesidad de realizar mediciones detalladas sobre el comportamiento de partículas de suelo durante la formación y construcción de terrazas agrícolas y la factibilidad de usar técnicas fotogramétricas para levantar información en campo, se propone esta investigación.
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1.2. OBJETIVOS Y PREGUNTAS DE INVESTIGACIÓN 1.2.1. OBJETIVO GENERAL Analizar el comportamiento de las partículas de suelo durante la construcción y formación de terrazas agrícolas a través del uso de fotogrametría y técnicas de reconstrucción de nubes de puntos structure for motion (SfM).
1.2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS •
Implantar un área piloto para el levantamiento, construcción y estudio del proceso de formación de terrazas agrícolas, así como un marco de referencia para control horizontal y vertical
•
Aplicar técnicas de fotogrametría digital y reconstrucción de nubes de puntos (SfM Structure For Motion) para el levantamiento y generación de información durante el proceso de formación de terrazas agrícolas
•
Comparar el comportamiento de las partículas de suelo mediante el establecimiento de 4 campañas de medición en campo, durante el proceso de construcción y formación de terrazas agrícolas.
1.2.3. PREGUNTAS DE INVESTIGACIÓN ¿Como podrían las técnicas fotogramétricas en conjunto con técnicas de reconstrucción de nubes de puntos Structure For Motion (sfm) cuantificar y modelar el comportamiento de las partículas de suelo durante el proceso de construcción de terrazas? ¿Cuáles podrían ser los cambios medibles con tecnologías fotogramétrica de partículas de suelo en 4 campañas de medición durante la construcción de terrazas agrícolas?
1.3. HIPÓTESIS La fotogrametría conjuntamente con el uso de vehículos aéreos no tripulados (VANT) y la reconstrucción de nubes de puntos por SfM permiten cuantificar el volumen y modelar el comportamiento de las partículas de suelo a detalle en la construcción y formación de terrazas agrícolas.
1.4. JUSTIFICACIÓN Organizaciones como la FAO, tienen como objetivo velar por el bienestar de la población y ha encaminado esfuerzos internacionales para garantizar alimentos sanos y nutritivos. Es así
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que, la FAO consiente de que los alimentos son producidos sobre el suelo, ha dedicado años de investigación y desarrollo a prácticas y técnicas para el cuidado de este preciado recurso. Factores como fuertes lluvia y la intervención del hombre en la agricultura presentan riesgos para el cuidado de este recurso y más aún si los terrenos que se quieren trabajar se encuentran ubicados en lugares con fuertes pendientes donde las estribaciones montañosas son el común denominador favoreciendo procesos de erosión (como es el caso de la sierra ecuatoriana). Para evitar la erosión se han desarrollado técnicas como la construcción de terrazas cuya función es romper la pendiente del terreno e impedir que el agua en su descenso gane velocidad y pueda arrastras las partículas de suelo. Esta técnica de construcción de terrazas se puede observar en culturas precolombinas como los cañarís e incas (Salas, 2019). De igual manera, en China, se empleaba para el cultivo del arroz desde hace siglos (Dao, 2020). De esta manera, se aprecia que el hombre siempre tuvo la precaución de cuidar el recurso suelo, por ello se rescata esta forma de cuidar el suelo que al día de hoy sigue completamente vigente. Durante años, se ha estudiado la erosión y se ha definido una serie de técnicas que permiten estimar la cantidad de suelo desplazado de un lugar a otro mediante muestreos con elementos trampa y complejos experimentos. Adicionalmente surgen técnicas modernas y sofisticadas como el rastreo a nivel de trazas atómicas para conseguir los mismos resultados. No se puede negar que existen métodos topográficos desde más sencillos a más complejos, de más a menos precisión. Ante esta situación la fotogrametría resulta una opción atractiva que esta investigación pretende abordar. Esta investigación también procura demostrar la factibilidad de realizar mediciones sobre un lote de terreno durante la construcción de una terraza agrícola sin necesidad de recurrir a muestreos. Cabe mencionar que hasta el momento no se realiza la supervisión del movimiento del suelo en la construcción de terrazas por la limitación de herramientas tecnológicas como estaciones totales o teodolitos, que exigen fuertes campañas de campo para aproximarse a representar fielmente la topografía de un terreno. Esta propuesta de ser exitosa, podría brindar una nueva perspectiva para la evaluación y cuantificación del movimiento del suelo al rescatar la importancia de la construcción de las terrazas con miras a conservar el recurso, en adición de una serie de nuevas técnicas para cuantificar cual es el volumen de ese suelo que se desplaza y así determinar cuáles son los
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movimientos de esas partículas, lo que resultaría complejo y costoso con técnicas convencionales.
1.5. ALCANCE En esta investigación se pretende usar técnicas de construcción de terraza en forma de bancales implementando a la par el uso de nuevas tecnologías para el levantamiento y monitoreo topográfico mediante el uso de vehículos aéreos no tripulados (VANT) o drones. Esta investigación pretende realizar una serie de comparaciones a nivel de nubes de puntos obtenidos mediante la generación de técnicas de fotogrametría digital, con el objeto de modelar y cuantificar el comportamiento de las partículas de suelo en la construcción y formación de terrazas agrícolas sobre un área piloto asignada. Las terrazas agrícolas, según Gliessman (2002), han existido desde tiempos ancestrales, como tecnologías usadas por el hombre en el cuidado y conservación del suelo, como una estrategia para cuidar el recurso. En este sentido, esta investigación también busca aportar en el cuidado del recurso relacionando técnicas ancestrales de conservación de suelo con la adopción de tecnologías recientes como el uso de técnicas fotogramétricas. Los productos obtenidos básicamente son las observaciones fotogramétricas que se realizan sobre el área piloto durante la experimentación y que servirán a la comunidad científica, con la demostración o negación de la hipótesis. Se espera que la aplicación de técnicas fotogramétricas muestre una perspectiva adicional como posibilidad en el estudio y seguimiento de fenómenos para la conservación del suelo.
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CAPÍTULO 2.
REVISIÓN DE LA LITERATURA
Para el estudio del comportamiento del suelo en específico la movilidad de sus partículas durante la construcción y formación de terrazas agrícolas es necesario definir conceptos como: ¿qué es suelo?, ¿qué es la conservación el suelo?, además conceptos fundamentales sobre la erosión en sus diferentes presentaciones; también, qué es una terraza agrícola y cómo se construye. De igual forma es necesario comprender el componente tecnológico propuesto en el experimento para la captura de información. Para ello se describen los conceptos sobre las técnicas fotogramétricas y métodos que se emplean para realizar las mediciones basados en sensores remotos dando especial atención a temas como nubes de puntos, puntos de control, y plataformas VANT/UAV.
2.1. EL SUELO Los recursos naturales son el conjunto de bienes materiales brindados por la naturaleza sin interacción previa del humano, son de suma importancia para el bienestar del mismo y dentro de estos se encuentra el recurso suelo (IUSS, 2010). Canarache, Vintila, y Munteanu, (2006) y Casas (2012) coinciden en definir al suelo como la agrupación de partículas minerales, material orgánico, moléculas de agua y de oxígeno en diferentes cantidades, producto de la trasformación constante de material geológico atreves de la acción de factores: físicos, químicos y biológicos. De igual manera, Stevenson (2010), en el diccionario de Oxford para lengua inglesa menciona que se considera como suelo a la capa exterior de la tierra donde crecen las plantas, menciona que suelen ser de colores oscuros, negros y cafés, que conjugan un conjunto de diferentes proporciones de materiales como arena, arcilla y limo. Al suelo se lo describe al dividirlo en secciones de características físicas homogéneas, apreciadas en un corte vertical llamados calicatas, a estos grupos homogéneos se los conoce como horizontes, que dependiendo de la naturaleza del suelo pueden encontrarse 2,3,4 o 5 horizontes, de los cuales el horizonte 0, es el primer horizonte en donde se desarrolla las raíces de los cultivos y se caracteriza por ser el horizonte más expuesto a la degradación por procesos erosivos de diferente naturaleza (Fournier, 1974).
2.1.1. PENDIENTE DE TERRENO A la pendiente se la define como una forma de medir cuán inclinado está un terreno, se lo relaciona con la morfología y la dinámica del relieve; es por ello que, a mayor inclinación,
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será mayor la pendiente (Castro, Romero, Loarte, y Galeas, 2013). Además, la pendiente es un factor clave al estudiar el ambiente, pues esta influye en procesos de erosión del suelo, así como en desastres naturales y otros desastres que han sido ocasionados por acciones antrópicas (Orozco, 2010). La pendiente condiciona los procesos que pueden llegar a desarrollarse y hasta la misma forma del terreno (Castro et al., 2013). En planimetría esta es calculada de acuerdo a la relación en donde el porcentaje de pendiente es igual a la división de la altura para la base toda la división multiplicada por cien, teniendo como resultado un valor en porcentaje, mientras que, para expresar la pendiente en grados, será igual al arco tangente, es decir la pendiente es el valor de la tangente de un triángulo Figura 1.
Altura
(α Base Figura 1: Relación altura y base para la obtención de la pendiente (Castro et al., 2013)
De acuerdo al grado o porcentaje de pendiente, se las clasifica como en la Tabla 1, en donde pendientes mayores al 30% presentan dificultad al momento de realizar actividades agrícolas y es necesario aplicar planes de manejo del suelo, para evitar erosión temprana (FAO, 2009). Tabla 1: Clasificación de pendientes (FAO, 2009) Clase
Descripción
%
01
Plano
0-0.2
02
Nivel
0.2-0.5
03
Cercano al nivel
0.5-1.0
04
Muy ligeramente inclinado
1.0-2.0
05
Ligeramente inclinado
2-5
06
Inclinado
5-10
07
Fuertemente inclinado
10-15
08
Moderadamente escarpado
15-30
09
Escarpado
30-60
10
Muy escarpado
>60
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2.1.2. . CONSERVACIÓN DE SUELOS La conservación del suelo son las acciones y decisiones tomadas para evitar principalmente la erosión y precautelar las características físicas químicas y biológicas del mismo, además de evitar limitaciones mecánicas con suelos poco profundos y compactos producto de actividades antrópicas, son algunas de las características que indican que el suelo está expuesto a su degradación y por lo tanto es necesario actuar con técnicas de conservación del recurso (Hillel, 2008). Como consecuencias de la degradación del suelo, impide el normal crecimiento radicular, además este suelo tiende a concentrar sales o elementos químicos que desbalancean sus horizontes (e vuelven suelos fitotóxicos para el sistema radicular de las plantas). Es decir existen limitaciones físicas y químicas que evita el desarrollo radicular, esto ocurre especialmente en cultivos que requieren demasiada humedad, lo que demuestra que el desarrollo vegetal depende de un perfecto equilibrio (Funakawa, 2017).
2.1.3. EROSIÓN El planeta Tierra al ser un “organismo” dinámico, con el trascurso de las eras geológicas, se ha formado el suelo como tal, gracias a proceso de meteorización de la roca madre, este fenómeno natural se da gracias a la incidencia del agua, el viento o la acción gravitatoria principalmente (Lavlele y Spain, 2003). Sin embargo si estos proceso de meteorización se llegan a dar de manera acelerada, Nuñez (2001) menciona que el suelo se encontraría expuesto al fenómeno conocido como erosión y que es necesaria su conservación. Al evitar la erosión se consigue guardar características físico-químicas ideales que permitan el crecimiento radicular, consecuentemente un incremento en la rendición de productos obtenidos de las labores agrícolas. Sin embargo, desde que el humano hace uso del suelo para su beneficio, ha influenciado de manera negativa, con actividades como: destrucción de la vegetación protectora, quemas accidentales y provocadas, el uso del arado a profundidades inadecuadas, además de usar el recurso para formar asentamientos poblacionales, todas estas actividades han causado que el suelo quede expuesto a procesos erosivos de gran velocidad y de forma perjudicial. Estas son las principales razones por la que se produce este efecto, por tanto la erosión es definida como el proceso de desprendimiento y arrastre acelerado de las partículas del suelo causados por el agua, el viento u otro factor antrópicos (Brevik y Sauer, 2015).
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2.1.3.1. EROSIÓN HÍDRICA La erosión hídrica en lugares con presencia de lluvia es el factor físico más perjudicial, consiguiendo desprender las partículas aglomeradas naturalmente, movilizando estas partículas de un lugar y siendo depositadas en otros (sedimentación), Este tipo de erosión es una de los factores físicos considerados dentro de la degradación del suelo (Hillel, 2008). De igual manera, Fournier (1974), ya explica que el agua influencia en el suelo con fuerzas activas y resistentes, en la Figura 2, se ilustra una imagen que categoriza a las fuerzas activas con: características de lluvia, pendiente del terreno y capacidad de absorción del suelo; mientras que las fuerzas de resistencia: propiedades físico-químicas del suelo y la vegetación. Cuando la fuente de afección al suelo es el agua de lluvia, Hillel (2008) menciona que para medir el nivel de afección al suelo dependerá de la intensidad, duración y estacionalidad, mientras que cuando se considera a la pendiente se deberá considerar el grado de inclinación. Finalmente, dentro de las fuerzas activas la capacidad de absorción del suelo dependerá de la cobertura vegetal y las propiedades físicas del suelo.
Figura 2:Factores que afectan la erosión causada por el agua (Fournier, 1974)
La acción de la lluvia sobre el suelo también se la conoce como escorrentía, definida por Nuñez (2001) como “Cantidad de agua de lluvia que excede la capacidad e infiltración del
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suelo . Si la lluvia caída supera esa capacidad, el exceso escurre hacia abajo en la pendiente a arroyos, breadas, ríos, lagos y océanos” (p. 43), por lo general la escorrentía se suele referir a unidades hidrográficas, lo que significa valores referidos a nivel de cuenca.
2.1.3.2. EROSIÓN EÓLICA Este tipo de erosión se debe a la acción del viento sobre los suelos, en este caso las pequeñas partículas de suelo al no contar con una humedad que facilite su unidad estructural quedan expuesta a ser removidas por la fuerza de acción del viento dependiendo el grado de acción por factores como: la velocidad el viento, y cobertura del suelo siendo características cruciales para la degradación del recurso suelo en ambientes con un déficit en el régimen de lluvias (regiones áridas) (Gifford, 2005). Blanco-Canqui y Lal (2010) definen 5 formas de erosión •
Efluxión: Remoción de partículas de tamaño de 0.1 a 0.5 mm de diámetro.
•
Extrusión: Movilización de partículas más grandes al anterior producto del golpe constante de partículas más pequeñas.
•
Detrusión: Remoción de partículas acumuladas en crestas de los terrones de suelo que quedan más expuesta a velocidades altas del viento.
•
Eflación: Esta forma de degradación de suelo corresponde a la remoción de partículas finas que son elevadas del lugar y no vuelven a caer en el mismo sitio
•
Abrasión. Erosión producto del golpe directo y continuo de las partículas.
2.2. TERRAZAS AGRÍCOLAS Las terrazas son una serie sucesiva de plataformas dispuestas de manera escalonada en las pendientes de los terrenos. Son usadas para cultivo de: hortalizas, tubérculos, granos aunque no se descarta el hecho de usar cultivos permanentes como pastos y frutales (Quispe, Romero, y Albino, 2002). Bocco y Napoletano (2017) definen a las terrazas como intervalos de montículos de tierra, construidas en terrenos que presentan pendientes pronunciadas, además se caracterizan por tener una sección trasversal bastante ancha con profundidades variables, su finalidad es reducir la velocidad del agua que fluye sobre su superficie. De esta manera, se evita el transporte de sus partículas de manera acelerada (erosión) y también permite la actividad agrícola, son también una solución bajo condiciones topográficas extremas (Guyer, 2019).
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La conservación del suelo es fundamentalmente importante en áreas donde la gente debe producir sus alimentos sobre pendientes empinadas, sujetas a erosión. Para combatir dichas dificultades una de las prácticas tradicionales más comunes en todo el mundo desde tiempos inmemoriales es la construcción de terrazas agrícolas en laderas que, básicamente aporta de dos maneras al cuidado del suelo: primero detener la erosión y segundo favorecer una correcta infiltración del agua en el suelo (Gliessman, 2002).
2.2.1. IMPORTANCIA HISTÓRICA EN LA REGIÓN DE LOS ANDES Evidencias de las culturas andinas que perduran hasta días actuales son las terrazas en donde se establecían cultivos para sociedades incas y pre incaicas que poseen una dimensión etnohistórica: La memoria histórica oral de los más ancianos corrobora que el origen de las terrazas en la comunidad, se pierde en la obscuridad del tiempo, limitándose a decir “de niño he visto siempre las terrazas” en consecuencia, estas verdaderas obras culturales constituyen creaciones patrimoniales étnicas de nuestros antepasados (Flores, Torrejón, Flores, y Bolivia, 2002, p. 42). Como mencionan Quispe et al. (2002), para el hombre andino, desde el incario hasta el presente, el suelo fue el mayor don de la naturaleza y le dieron mucha importancia, a su vez por la escasez de tierras horizontales o llanas, al hacer uso de técnicas de construcción de terrazas de banco y terrazas de formación lenta, complementadas con obras como zanjas de infiltración, sistema agroforestales, da cuenta de un alto grado de conocimiento y cuidado de una ingeniería agrícola en una época donde el hombre aun no contaba con la tecnología suficiente para entender ciertos fenómenos.
2.2.2. CONSTRUCCIÓN DE TERRAZAS El factor pendiente es el criterio que predomina en la construcción de la terraza, es así que cuanto mayor sea la distancia entre terrazas, menor será el costo de su implantación. El espacio se puede medir (en metros) entre las terrazas por ejemplo un espaciado de 1 metro significará que la siguiente terraza estará a un metro de altura de la anterior, lo que conlleva a que el espacio horizontal es variable entre terrazas, que también depende de la pendiente del terreno consiguiendo que el suelo superficial que se deposita de una terraza a otra favorezca en profundidad (Blanco-Canqui y Lal, 2008)
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2.2.2.1. TIPOS DE TERRAZAS Existen diferentes tipos de terrazas en la naturaleza, es así que, en la geomorfología, se estudia las terrazas fluviales y aluviales, sin embargo, en esta investigación es de interés el describir algunos tipos de terrazas de naturaleza antrópica, es decir donde el hombre ha construido en las laderas, formas de relieve para el uso agrícola (Tejada, 1994). Entre los principales tipos de terrazas por su construcción existen: Terrazas acanaladas, son cortes en el terreno que construyen un canal que pude o no tener caída con el objeto de drenar el agua de escorrentía (Hudson, 1982), de igual manera coincide la USDA (USDA, 2011) en un manual de campo sobre terrazas. En la Figura 3 se puede observar ejemplos de tipos de terrazas acanaladas.
Terraza de Magnum
Terraza de Nichols
Hasta 15 metros. Terraza de base ancha
3 o 4 metros. Terraza de base estrecha
Figura 3: Tipos de terrazas acanaladas (Hudson, 1982)
Terrazas de bancal (Figura 4) son terrazas a manera de escalones , andenes, o graderíos con peculiares características, Hudson (1982) las clasifica en: a) Bancal horizontal b) Bancal inclinado, c) Bancal de pendiente Invertida, d) Terraza de irrigación
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Figura 4: Terrazas de bancal, a)bancal horizontal, b)Bancal inclinado, c) Bancal de pendiente Invertida, d)terraza de irrigación (Hudson, 1982).
2.2.2.2. TERRAZA DE BANCAL HORIZONTAL Este tipo de terrazas también se conoce como terrazas de banco, y son las terrazas más utilizadas en pendientes superiores al 20%. Fournier (1974) describe las partes y secciones de una terraza de bancal con un talud de proporción 1 a 1, esta proporción obedece a características físicas del suelo (Figura 5). A: Ancho disponible del bancal en metros. b: Anchura del talud en metros. c: Anchura del corte del terreno. D: Anchura total del bancal en metros H: Profundidad del horizonte A en metros T: Anchura del terraplén en metros p: Pendiente natural del terreno expresada en porcentaje.
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Figura 5:Sección trasversal de una terraza de bancal con 30% de pendiente (Fournier, 1974)
En la Tabla 2 se describen los cálculos realizados en función de la pendiente con los que se determinan los anchos esperados en la construcción de terrazas de taludes 1:1. Tabla 2: Cálculo de bancales a talud 1:1 en función de la pendiente (Fournier, 1974)
2.2.2.3. TRAZADO Todo sistema de terraceado exige una planificación en el sentido de encontrar las aturas de las terrazas en función de las características físicas y profundidad del suelo con fines
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agrícolas (Soil Conservation Service, 1947). Además se debe tomar en cuenta que, según la forma del terreno, es posible prever los desagües o quebradas naturales, ya que en estos sitios los contornos que definen una misma altura suelen hacer curvas bastante pronunciadas en estos pliegues geográficos, lo que conlleva a realizar correcciones para suavizar el trazado en lugares que lo ameriten, se debe tener en consideración que de haber presencia de exceso de agua en el lugar se debe direccionar el agua de manera segura de tal forma que la posible escorrentía no cause daños (CIMMYT, 2016). Una vez en el terreno, Fournier (1974) recomienda auxiliarse de instrumentos de medición como pueden ser niveles en forma de caballetes, niveles en forma de “A” o niveles digitales, de tal manera que se trace líneas guía con pendiente cero o ligeramente con caída, considerando además condiciones meteorológicas de la zona. Es así que, con ayuda de la Figura 6, se ilustra de forma trasversal a la pendiente, la estaca con el número 1 que representa la línea original en el terreno, y luego colocar las estacas 2, 3, 4 y 5 que de igual manera representaran el terreno original. De esta manera queda por realizar los movimientos mecánicos o manuales con el corte y relleno formado así las terrazas.
Figura 6:Sistema de trazado y construcción de terrazas de banco. (Fournier, 1974)
2.3. TELEDETECCIÓN AMBIENTAL Según Jesen (2015), la teledetección ambiental es una ciencia que permite la recolección de información acerca de un objeto o un espacio geográfico, desde una distancia ventajosa, gracias a instrumentos o sensores que admiten diferentes mediciones como por ejemplo,
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originalmente la teledetección ambiental nació de la fotogrametría hace algunos años, al usar cámaras montadas en aeronaves con recorridos suborbitales. En este sentido, la Sociedad Americana de Fotogrametría en 1966 definen la fotogrametría como: “El arte y ciencia de obtener medidas fiables a partir de fotografías” (Thompson, 1966, p. 594) lo que demuestra el estrecho lazo entre la fotogrametría y los sensores remotos, siendo estas dos relativamente nuevas en comparación con otras ciencias. Complementariamente, el termino de fotointerpretación puede ser definido como: “El arte de examinar imágenes fotografías con el propósito de identificar objetos juzgando su significado” (Colwell, 1960, p. 25). El mismo autor en el año 1983 sintetiza una definición para la Sociedad Americana de Fotogrametría y Percepción Remota, que define la teledetección ambiental o percepción remota como: “las mediciones o la adquisición de información de algunas propiedades de un objeto o fenómeno, ante el registro mediante dispositivos que no se encuentran en completo contacto físico con el objeto o fenómeno de estudio” (Colwell, 1983, p. 1211). Finalmente, en el año 1997 la Sociedad Americana de Percepción Remota y Fotogrametría unifica los términos y dando como resultado la siguiente definición: La fotogrametría y percepción remota como el arte, ciencia y tecnología de obtener información fiable acerca de objetos físicos y del medio ambiente, a través de procesos de registro, medición e interpretación de imágenes y representaciones digitales de patrones de energía, obtenidos a través de sistemas de sensores que no se encuentran en contacto del objeto (Colwell, 1997, p. 10). Al decir sensores remotos, surge la inquietud de definir el término remoto, es así que en suma con las definiciones anterior se podría considerar como remoto a objetos que pueden ser medidos a un centímetro, un metro, cien metros o 1 millón de metros del objeto analizado, siempre y cuando no entre en contacto directo con el objeto.
2.3.1. SENSORES Y PLATAFORMAS Como se describió anteriormente el fundamento de la teledetección ambiental se basa en la observación a distancia, que se consigue gracias al uso de sensores; entre los sensores más difundidos se encuentran los satélites LANDSAT, NOAA, SPOT, METEOSAT (Netzband, Stefanov, y Redman, 2007).
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A continuación, se introduce por primera vez el termino plataforma, que es el medio en el que determinado sensor se sustenta o mantiene, en el ejemplo anterior se hizo una referencia a una plataforma espacial (satélites), otro ejemplo de plataforma son los aviones denominados “plataformas aerotransportadas” que sin importar su aerodinámica, cumplen con la función de llevar al sensor para asuntos pertinentes a la teledetección (Olaya, 2011).
2.3.1.1. SENSORES PASIVOS Entre la clasificación más representativa, los sensores pasivos se caracterizan por recibir radiación en forma de energía electromagnética emitida o reflejada por la tierra o el sol, dentro de los sensores pasivos se encuentran los sensores fotográficos, óptico-electrónico. Estos sensores operan en el rango del espectro electromagnético visible e infrarrojo y la captura de información suele estar limitadas a la porción del día que el sol incide en los objetos y puede ser interrumpida por nubosidades (Kumar, 2005).
2.3.1.2. SENSORES ACTIVOS También suelen encontrarse sensores activos, característicos en generar su propia radiación, que la emiten y rebotan dependiendo del objeto a ser medido, entre los ejemplos más representativos se encuentran los sensores radar y LIDAR, estos sensores operan en rangos específicos del espectro electromagnética con la ventaja de que este tipo de sensor no dependen de la energía solar, ya que el sensor genera su propia onda electromagnética consiguiendo que se pueden hacer mediciones todo el tiempo incluso en la noche o con presencia de nubosidad (Kumar, 2005).
2.3.2. PLATAFORMAS UAV/DRONE/VANT Los UAV (Unmannded Aerial Vehicles) o en español, vehículos aéreos operados remotamente, también conocidos como VANT (vehículos aéreos no tripulados), más popularmente conocidos como drones, son dispositivos electrónicos que permiten mantenerse en vuelo de forma autónoma, se los suele agrupar como sistemas, ya que cuentan con la posibilidad de que un operador pueda tomar decisiones a distancia, pero de manera complementaria. Este tipo de dispositivos ha sido desarrollado por necesidades militares con misiones de inteligencia y más recientemente de ataque (Springer, 2013). Los drones tienen una posibilidad amplia de uso, el bajo costo de estos y el avance tecnológico, han permitido que no sea de uso exclusivo militar, sino también de uso civil.
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Como por ejemplo personas que realizan actividades topográficas y fotogramétricas con el levantamiento georreferenciado de imágenes para la generación de orto mosaicos y modelos digitales de elevación. Otros usos civil corresponde a la toma de fotografía y video para producciones fílmicas (Newcome, 2004). En la agricultura, actualmente el uso de drones en la llamada “agricultura de precisión” es frecuente y son una herramienta fundamental, pues han permitido monitorear el desarrollo de producción de cultivos y su seguimiento. En el cuidado del medio ambiente han sido usados en el área de ecología forestal, en donde las quemas y la deforestación son constantes aquí permiten estimar el daño causado al comparar imágenes. Se estima que en un futuro no tardío, será necesario el uso de drones en muchas áreas, no solamente por su costo, sino por la confiabilidad que generan sus resultados lo que se traduce como ganancias para el productor (Daponte et al., 2019). Otra de las ventajas de usar la tecnología UAV, es el hecho de que esta tecnología permite capturar información de grandes áreas (depende el tipo de aeronaves) de forma rápida y con la ventaja de alcanzar lugares que regularmente se vuelven inaccesibles. Como por ejemplo: un monitoreo de altísima resolución de un movimiento de masa de los materiales superficiales dentro de un deslizamiento, en donde el análisis de la información permiten estudiar el fenómeno sin ni siquiera intervenir en el evento (Clapuyt et al., 2016). Tareas que resultan útiles no solo a la ciencia de los sensores remotos sino también a servicio de emergencia permitiendo alcanzar lugares de difícil acceso. A pesar que la tecnología UAV se considera precisa, se debe tener en cuenta que el procesamiento de las imágenes está sujeto a una serie de errores producidos por diversas fuentes, entre las que se cuentan: la planificación del vuelo; la medición de puntos de control en campo; y el paralelismo o la falta de traslape entre imágenes. Estas consideraciones pueden ocasionar daños en el error radial de distorsión esperada, que influyen en los productos a obtenerse, (modelos digitales de elevación, orto imágenes alta resolución, etc) por lo que se acumulan errores sistemáticamente y es necesario seguir un proceso de control y verificación de la correcta posición tanto en horizontal como vertical
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para oportunamente identificar errores y proceder con las acciones correctivas del caso (James, Robson, y Smith, 2017) Como resultado del proceso de verificación del flujo de pos proceso de un set de imágenes es necesario contar con valores estimados de ajuste, por lo que se sugiere repetir un mismo levantamiento de un mismo lugar con las mismas características para determinar si el sensor a usar tiene la capacidad de reproducir un mismo levantamiento, producto de esto se podrá contar con un dato valioso con el cual se enmascara los resultados bajo un marco de referencia (Clapuyt, Vanacker, Kristof, y Schlunegger, 2015).
2.3.3. FOTOGRAMETRÍA AÉREA DIGITAL La fotogrametría es un procedimiento que puede ser utilizado en un sin número de ciencias y aplicaciones, pero es en la topografía y en la generación de cartografía donde verdaderamente brinda su principal utilidad. Entre las ventajas más importantes que presenta la fotogrametría frente a trabajos de medición convencional se tiene la sustitución de gran parte del tiempo en trabajo en campo, ya que cubre extensas áreas con precisión aceptable y homogeneidad en cualquier tipo de terreno (Pozuelo, Andrés, y Jordana, 2004). Linder (2009), menciona que la fotogrametría realiza mediciones sobre fotografías digitales, por lo tanto las mediciones obtenidas son medidas indirectas ya que no se está midiendo el objeto como tal, sino la imagen del objeto, Linder también introduce a la fotogrametría como técnica de medición de cualquier objeto. Lo único que cambia en los datos es la escala y dimensión que se le quiera dar a las mediciones. También explica que los análisis que se realizan mediante software especializado necesitan de al menos 2 imágenes que cumplan con criterios como: traslape longitudinal, traslape lateral, verticalidad de la imagen y referencias de ubicación de las imágenes. Quirós (2014), como se observa en la Figura 7, representa como, a partir de la captura de imágenes, gracias al principio de estereoscopia, es posible extraer valores de altura de diferentes objetos a partir de reconstrucciones por correlación de puntos analizados en cada fotograma.
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Es pertinente mencionar que en el proceso de análisis de las imágenes se realizan una serie de procesos como: análisis de orientación interna y externa, orientación relativa de la imagen, aerotringulación, colocación de puntos de apoyo. Actualmente los vehículos aéreos no tripulados para mediciones fotogramétricas han ganado una Figura 7: Representación de cálculo de diferentes alturas en una reconstrucción fotogramétrica. (Quirós, 2014)
enorme popularidad, las imágenes tomadas de los UAVs son usadas para generar modelos digitales de
superficie e imágenes orto rectificadas.
2.3.3.1. PUNTOS DE CONTROL Pozuelo et al. (2004) mencionan que la toma de datos mediante el uso de fotogrametría aérea puede abarcar grandes zonas con geometrías simples y complejas al obtener como resultado modelos tridimensionales de toda la escena. Sin embargo, este tipo de trabajos requiere también de campañas en campo con levantamiento de objetos foto identificables cuyas coordenadas correspondan a un sistema conocido que servirán como referencia de ubicación y escala, a estas mediciones se las denomina puntos de control. Los puntos de control se caracterizan por poseer coordenadas reales del terreno de carácter planimétrico y altimétrico, que son completamente identificables en los fotogramas tratados en gabinete. Para el levantamiento de los puntos de control se emplean métodos convencionales como: triangulaciones, poligonales, radiaciones, nivelaciones, etc, aunque cada vez es más común trabajar con sistemas GPS /GNSS. Los autores también mencionan que existen dos tipos de puntos de control, según su generación: Como los pre señalizados son todos aquellos que han sido colocados previo al vuelo fotogramétrico y pueden ser dianas o cualquier tipo de señales en campo. El otro tipo de puntos de control son los levantados después del vuelo fotogramétrico y consisten en objetos que pueden ser identificados en las imágenes para posteriormente ser levantados en campo.
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Figura 8: fotograma y detalle de punto de control (Pozuelo et al., 2004)
Las marcas más utilizadas consisten en cuadrados o rectángulos divididos por diagonales que muestran zonas coloreadas intercaladamente, se pueden encontrar en formas de cruz o circunferencias (Figura 9) y pueden ser dibujadas en madera o sobre lonas, cartones, o cualquier material que pueda ser móvil (Buill, Jordana, y Andrés, 2008). El apoyo en campo es necesario siempre y cuando estén bien distribuidos de manera homogénea, sin embargo, la cantidad de puntos sirve en cierto sentido donde la densidad no necesariamente significará mayor precisión (Lee, Jung, y Lu, 2015), encontrándose casos donde la precisión local de los modelos digitales de elevación se disminuye mientras más cerca se encuentren los puntos de control, por lo que recomienda prestar mucha atención al momento de distribuir los puntos en campo (Gindraux, Boesch, y Farinotti, 2017).
Figura 9:Marcas fotogramétricas (Buill et al., 2008)
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2.3.3.2. POS PROCESO FOTOGRAMÉTRICO UAV/DRONE Para el pos proceso de información se dispone de software especializados que siguen una secuencia común en su metodología de pos proceso llamado flujo fotogramétrico según Agisotf (2019) este consiste en: •
Cargar imágenes en el programa
•
Inspección de imágenes, remoción y adición de imágenes
•
Alineación de cámaras
•
Reconstrucción de nube densa de puntos
•
Reconstrucción de mallas
•
Generación de Texturas
•
Generación de texturas
•
Reconstrucción de modelos por teselas
•
Reconstrucción de modelo digital de elevación.
•
Reconstrucción de ortofoto
•
Exportación de resultados.
Del proceso más importante resalta la alineación de cámaras, el cual consiste en orientar las imágenes para que el programa encuentre las posiciones concordantes de pixeles y pueda construirse una nube de puntos de enlace que relaciona pixel/pixel con su correspondiente en las imágenes contiguas. Este primer paso permite la reconstrucción de un modelo tridimensional previo. De acuerdo a las capacidades de cómputo de los ordenadores se podría mejorar la precisión de la alineación de las cámaras. En el orden de aparición el proceso de generación de nubes de puntos o densificación de la nube de puntos le sigue en importancia, ya que en función de los puntos de enlace obtenidos previamente se llega a densificar la nube de puntos que consigue una representación de la escena en 3D. Continuando con el proceso se clasifica la nube de puntos mediante algoritmos especializados dentro de Metashape lo que permite discriminar en la nube de puntos los que podrían pertenecer a categorías como suelo, construcciones, ruido, etc.
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A partir de la nube de puntos, se pueden generar modelos digitales de elevación en formato raster, dichos modelos sirven de insumo para la orto rectificación de imágenes a fin de obtener una ortofoto (Agisoft, 2019).
2.3.3.3. “STRUCTURE FOR MOTION” SFM Denominado también “SfM”, Structure for motion es una técnica que se usa en las ciencias de la computación de visión artificial que consigue la estimación de puntos clave o puntos de enlace entre imágenes para reconstrucción de escenas en 3D (Pollefeys et al., 2001). Hoy en día con imágenes cada vez de mejor resolución al aplicar técnicas de SfM se consigue pasar de entornos 2D a 3D, gracias a que la capacidad computacional de los ordenadores permite la estimación precisa de las posiciones iniciales de las imágenes (Figura 10) para analizar correspondencia de pixeles de forma automatizada, esto combinado con referencias de posición espacial dadas por los puntos de control, permiten escalar los resultados a modelos en tres dimensiones sobre los cuales se realizan mediciones con precisión geográfica. Entre los productos de la combinación de proceso con SfM Chuvieco (2020) menciona que permiten la generación de: modelos 3d: como modelos digitales de elevación, superficie, ortofotos, y nubes de puntos.
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Figura 10: Representación de la extracción de puntos clave en escenas 3D a partir de imágenes mediante el algoritmo SfM (Pollefeys et al., 2001)
En cuanto a la precisión, Mancini, Dubbini, y Gattelli (2013) mencionan que la precisión de los levantamientos, en donde lo productos resultantes de SfM al ser comparados con levantamientos de nubes de puntos propias de un escáner terrestre, presentan diferencias en su comparación vertical de 0,01m con un error medio cuadrático de 0.22m , demostrando que UAV-SfM puede alcanzar a presiones de los escáneres terrestres, siempre y cuando se cumplan con requisitos mínimos de planificación para la obtención de productos a partir de la reconstrucción topográfica de imágenes de alta resolución y procesada con SfM con alto nivel de cómputo. Lucieer, Jong, y Turner (2013) muestran, como ejemplo de aplicación de esta tecnología, el monitoreo de glaciares en áreas de deslizamientos de suelo, donde las escenas en 3D reconstruidas poseen cierta precisión geométrica que es ajustada luego con los puntos de control y que estos levantamientos también puedes ser comparados multi temporalmente. Al incorporar el factor tiempo a este tipo de análisis se puede encontrar correlaciones entre el desplazamiento del suelo y hielo entendiendo variables dinámicas entre ellos; resaltando que las tecnologías propuesta posee ventajas en cuanto a flexibilidad y efectividad.
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2.3.3.4. NUBES DE PUNTOS Las nubes de puntos son archivos binarios que almacenan información de millones de puntos que representan una superficie y su uso se ve difundido por la tecnología LIDAR (Light Detection and Ranging o Laser Imaging Detection and Ranging). Las nubes de puntos, según Li, Chen, y Baltsavias, (2008), son la respuesta ante la necesidad de representar los levantamientos producto de mediciones de laser terrestre y aerotransportado, es así que la información posee diferentes formatos dependiendo del tipo de sensor que haya sido utilizado, por eso la ASPRS ha estandarizado el formato llamados “.LAS”. Actualmente, con el uso de vehículos aéreos no tripulados y la capacidad de pos procesar vuelos fotogramétricos de forma digital, Coello, Ballesteros, y Abellán (2015), mencionan que estos sistemas permiten obtener gran cantidad de puntos, representados en nubes de puntos, estos datos pueden llegar a ser levantados varios kilómetros cuadrados en menos de una hora de vuelo y obtener de esta manera nubes de puntos de alta densidad, modelos digitales de superficies y ortofotos, unificando trabajos de topografía y fotogrametría. La ASPRS en uno de los documentos de publicación de especificaciones técnicas brinda información acerca de los formatos LAS, básicamente un archivo tipo .LAS contiene metadatos del estudio del cual se ha llevado a cabo el levantamiento de información presentándose como bloques, el primer bloque corresponde a un encabezado seguido de registros individuales de cada pulso láser, continuando con la descripción del primer bloque de información se encuentra metadatos como: fecha de levantamiento, datos hora del vuelo, número de registros, número de puntos retornados, cualquier desplazamiento que haya registrado el IMU, incluso cualquier cambio de escala registrado. En cuanto a la información que contiene cada pulso estos se registran como atributos en donde presentan la ubicación en las coordenadas x y z, tiempo GPS, intensidad, número retornos, cantidad de retornos, valores clasificados, ángulo de escaneo, valores RGB adicionales, dirección de escaneo, borde de la línea de vuelo, y características de onda. Actualmente la casa comercial de ESRI admite la lectura de diferentes versiones de archivos .LAS, que ha pasado por las versiones 1.1, 1.2, 1.4 a excepción de la versión 1.3 que actualmente no es compatible (ESRI, 2020). Las nubes generadas por el proceso SfM y UAV, obtienen resultados equiparables con sensores LIDAR, incluso conservan los mismos formatos, además de poseer coordenadas de
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latitud, longitud, y altitud, poseen características de color, como se observa en la Figura 11. Como única diferencia con los datos LIDAR las nubes de puntos generadas por SfM no van a poseer valores de intensidad ni retornos (Westoby, Brasington, Glasser, Hambrey, y Reynolds, 2012).
Figura 11: Nube de puntos (Westoby et al., 2012)
En cuanto a otras investigaciones que preceden este documento se cita a Clapuyt et al. (2015), quienes estudiaron un monitoreo de la superficie de movimientos en masa mediante técnicas SfM. Immerzeel et al.(2014) pretendieron monitorear la dinámica de glaciares con el uso de vehículos aéreos no tripulados. Zhang et al. (2019) evaluaron la precisión de vuelos corregidos la posición de capturas en pos proceso y generando nubes de puntos precisas entre mediciones. De igual manera, Lucieer et al.(2013) proponen análisis de correlación multitemporales para el mapeo de deslizamientos usando SfM. En base a estas investigaciones se marca una necesidad de utilizar esta tecnología en la agricultura para que se brinden nuevos enfoques al momento de estudiar la movilidad de partículas de suelo, y consecuentemente procesos de erosión. Con esta revisión de bibliografía se realizó una breve introducción a los temas más importantes que competen a esta investigación, pasando por conceptos de suelo, conservación de suelo (ahondando en describir una técnica de conservación como son las
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terrazas agrícolas), se abordó las definiciones de erosión y finalmente se complementaron las definiciones del componente tecnológico para realizar mediciones fotogramétricas. La integración de estos conceptos permite introducirnos en el proceso metodológico a continuación.
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CAPÍTULO 3.
METODOLOGÍA
Esta investigación se enmarca en un estudio de caso que ha permitido monitorear el comportamiento de las partículas de suelo mediante el uso de técnicas fotogramétricas, a través de un vehículo aéreo no tripulado, durante la construcción y formación de terrazas agrícolas. Se establecen momentos específicos durante el proceso de construcción y formación para realizar mediciones de manera detallada, hasta donde los recursos tecnológicos lo permitan para comparar los cambios suscitados y analizar variables como: volumen y ubicación espacial; todo esto gracias al manejo de nubes de puntos obtenidos por algoritmos especializados SfM. Los datos recopilados permitieron realizar un estudio de tipo cuantitativo, basado en la observación de campo y recopilando información primaria (mediciones in situ) sobre un área piloto que representa la realidad de los terrenos en laderas usadas para la agricultura típicos de la región andina. Los datos recopilados se les agrupó y se les realizó un análisis de varianza ANOVA en el cual se evaluaron niveles de significancia de la relación de los diferentes estados, adicionalmente se hizo un análisis pareado que agrupó características de datos. Al realizar el experimento sobre un área piloto se logró controlar y monitorear todos los procesos que conllevaron a la construcción y formación de una terraza agrícola desde cero. La presente investigación combinó componentes prácticos en campo y oficina para levantar y procesar información en 4 momentos durante la construcción de terrazas agrícolas, donde el uso de un vehículo aéreo no tripulado sobre un área piloto implementada requirió de todos los procesos que exige la fotogrametría digital para obtener nubes de puntos reconstruidas a partir de algoritmos especializados (SfM) como ya se mencionó antes, siempre estos datos anclados a un marco de referencia horizontal y vertical (encontrándolos monumentados mediante mojones de cemento alrededor del área piloto). Antes de detallar la metodología implementada, a continuación, se describe la ubicación y materiales empleados sobre el área piloto para contextualizar el desenvolvimiento de la investigación.
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3.1. ÁREA DE ESTUDIO El área de estudio se encuentra ubicada en el cantón Guachapala en la región nor-oriental dentro de la provincia del Azuay, al interior de una granja experimental de la Universidad de Cuenca (Ecuador). Se puede acceder a este sitio al recorrer 45 kilómetros desde la ciudad de Cuenca (tercera ciudad en importancia del Ecuador) después de alrededor de 50 minutos en vehículo particular como se ilustra en la Figura 12, este sitio se encuentra próximo al río Paute sobre el embalse de la represa Mazar, próxima a la propiedad se encuentra la autopista E40 la cual pasa por los cantones Orientales de Paute, Guachapala, El Pan hasta llegar al Oriente Ecuatoriano. Este sitio se encuentra a 2150 metros sobre el nivel del mar. Dentro de la climatología de la zona de estudio, cabe mencionar las medias anuales registradas de las principales características climáticas. La temperatura fluctúa entre los 12° C a 20° C, la humedad relativa varía entre el 65 % a 85 %, la precipitación anual se encuentra dentro del rango de 500 mm a 2000 mm , la insolación está comprendida entre las 1000 a 2000 horas anuales, finalmente, la velocidad del viento ronda entre los 4 m/s a 12 m/s, prevaleciendo en su mayoría corrientes provenientes del Oeste (GAD de Guachapala, 2017).
Figura 12: Gráfico de ubicación del área de estudio, a) Ubicación local, b) Ubicación a nivel Nacional, Ecuador continental
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La orografía del sector del área de estudio, es descrita como compleja, por la forma irregular de sus colinas y de las pendientes pronunciadas, las cuales son una desventaja en la producción agropecuaria y del mismo modo, han permitido la erosión temprana del suelo y deslaves en temporadas de lluvias (GAD de Guachapala, 2015). El rango de porcentajes de pendientes óptimas que sobresale en esta zona es del 12% al 20%, aunque en su mayoría, el área se encuentra rodeada de pendientes muy por encima del 30% (GAD de Guachapala, 2015). Concretamente, el sitio de estudio cuenta con pendientes que van desde el 10% al 70 %; por lo que las técnicas de agricultura convencional no son prácticas al ser aplicadas con facilidad en este contexto De acuerdo a la clasificación taxonómica de suelos, siete clases de suelos se encuentran dentro de la zona de estudio, en la que los alfisoles y molisoles son los más explotados, debido a que las pendientes son ideales para la producción agropecuaria, mientras que los entisoles, oxisoles, vertisoles e inceptisoles, se restringe su uso, por las pendientes pronunciadas, entre tanto los aridisoles, son los suelos que se encuentran dentro de las zonas de conservación (GAD de Guachapala, 2017). El sitio donde se ubica el área piloto pertenece a una granja experimental conocida como “El Romeral” que pertenece a la Universidad de Cuenca la cual cuenta con 35 ha, donde se pueden encontrar cultivos de manzanas, chirimoya, hortalizas, bosques naturales, bosque de pino, en su mayoría pastos y terrenos sin usar, dicha propiedad cuenta con terrenos con fuertes pendientes que van desde los 10 hasta los 70 % por lo que las técnicas de agricultura convencional se ven imposibilitadas con maquinaria agrícola para labores cotidianas, condiciones que representan la generalidad del sector y las condiciones típicas con las que la agricultura se enfrenta en la región austral del país. En específico para este experimento se contó con un área piloto al interior de dicha granja que presenta las siguientes características: un área de 2 000 metros cuadrados aproximadamente con vegetación nativa en conjunto con pasturas, es decir un área subutilizada por su pendiente, una pendiente promedio de 35%, que se encontraba ocupada por árboles, gracias a esto fue posible llevar un registro detallado de preparación del área piloto desde cero.
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Figura 13:Gráfico de localización del área piloto al interior de la granja “El Romeral”.
3.2. MÉTODOS Como se mencionó en la introducción de este capítulo la metodología de esta investigación se basó en la creación de un área piloto, sobre esta área se monitoreó el comportamiento de las partículas de suelo durante la construcción y formación de terrazas agrícolas, para ello se realizaron mediciones a través de un vehículo aéreo no tripulado, empleando técnicas fotogramétricas que consecuentemente permitieron la generación de nubes de puntos que fueron comparados con el máximo detalle del límite que esta tecnología permite y así se cuantificaron las diferencias entre 4 momentos de medición. La metodología propuesta para dar cumplimiento a los objetivos específicos planteados, en donde el implantar el área piloto, el primer objetivo, conllevó una serie de procesos que abarcan el mayor tiempo del experimento y como se muestra en la Figura 14 correspondiente al flujograma se subdivide en actividades metodológicas agrupadas y nombradas por fases: •
En el primer caso la fase 1 se propone la monumentación del control horizontal y vertical que ayudó a georreferenciar las mediciones siempre a los mismos elementos foto identificables, que se encuentran distribuidos alrededor del área piloto.
•
La fase 2 propiamente dicha “implantación del área de estudio”; propone la construcción y formación de las terrazas desde el proceso de limpieza hasta el
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periodo de estabilización final. Más adelante se describe detalladamente cada una de estas actividades. En cuanto al segundo objetivo sobre el aplicar las técnicas fotogramétricos y reconstrucción de nubes de puntos en la fase 3 y fase 4 del flujograma (Figura 14) se observan los pasos metodológicos propuestos en donde: •
La fase 3 se encarga del levantamiento de información en campo con el vehículo aéreo no tripulado en donde se realizaron 4 vuelos en 4 momentos (4 repeticiones en 4 tratamientos)
•
La fase 4 se encarga del procesamiento de la información levantada en oficina para generar las nubes de puntos mediante SfM.
Y por último para el tercer objetivo en donde se compara el comportamiento de las partículas de suelo alrededor de las 4 campañas de campo propuestas, se presenta en el flujograma la fase 5: •
Fase 5 la cual consistió en realizar el respectivo análisis mediante pruebas estadísticas (ANOVA) que permitió cuantificar y comparar los volúmenes de suelo y ubicar espacialmente esos cambios, para finalmente observar si existe relación entre las distintas campañas de campo traducidas en tratamientos y repeticiones para este análisis.
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METODOLOGIA FASE 1
PROCEDIMIENTOS
CONTROL HORIZONTAL Y VERTICAL
PROCESO Monumentación de un marco de referencia horizontal y vertical
-Limpieza Y preparación del Suelo
Construcción de 8 hitos fundidos en cemento como marco de referencia para control horizontal y vertical
-Empleo maquinaria para destronque y preparación de suelo -Mullido de suelo
Medición con tecnología DGPS/GNSS
-Retroexcavadora -Arado de vertedera -Arado de disco
FASE 2
IMPLEMENTAR EL AREA PILOTO
Empleo de Nivel en A y herramientas de labranza
-Construcción de terrazas
FASE 5
FASE 4
FASE 3
Periodo de reposo y estabilización
Levantamiento Fotogrametrico
Pos proceso de la información
Comparación de resultados
Periodo de tiempo de 3 meses
-Preparación de aeronave -Mantenimiento de baterías - Planificación logística
Planificación de vuelo
Pos proceso de Vuelo Fotogrametrico.
Comparación mediante pruebas estadísticas de covariancia
Generación de Nubes de putos Mediante structure for motion
Se realizan los cálculos de las diferencias de volumen entre comparaciones de las 4 campañas de campo (1raVs2da, 1raVs3ra etc.)
Figura 14: Flujograma
-trazado de contornos -acumulación de tierra en función de los contornos trazados para construcción de terrazas
- Se deja el terreno sin intervención para que la acción del sol, del viento, del agua, y la vegetación intervengan en la estabilización de las terrazas
Ejecución del Vuelo
Calculo y comparación de volúmenes
Se grafican las diferencias espaciales de los cambios de volúmenes identificados en los cálculos
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3.2.1. MATERIALES Los materiales empleados en este estudio han sido usados por etapas y se nombran según su orden de aparición. Se listan los materiales más representativos, requeridos en esta investigación. •
Suelo: El principal recurso del experimento, será el objetivo de estudio entendido como como el grupo de partículas minerales acompañadas de material orgánico, agua y aire en diferentes porciones (Casas, 2012).
•
Picos, palas, azadillas y barretas: Herramientas de labranza que permiten la manipulación manual de terrones de suelo. Se emplearon durante el proceso de preparación de suelo.
•
Retroexcavadora: Maquinaria de características hidráulicas que principalmente consta de un brazo con azada y un pala (Hill, 2006), usado para la remoción de árboles y raíces en el área piloto además de un primera movimiento de suelo.
•
Tractor Agrícola: Maquinaria basada en un motor que permite su movimiento y está diseñado para tirar equipamientos móviles como arados y rastras para la labranza del suelo.
•
Nivel en “A”: Instrumento sencillo de fácil construcción y uso, que sirve para marcar curvas, líneas a nivel o “contornos” del suelo. Se conoce como nivel en A porque forma la letra A.
•
Cinta métrica: Instrumento de medida que consiste en una cinta flexible graduada y se puede enrollar que está referida al patrón del metro.
•
DGPS/GNSS: Instrumentos de medición que permiten su uso gracias a la tecnología de posicionamiento global por satélites.
•
UAV: Vehículo operado a control remoto que sirve como plataforma para sensores como un sensor RGB en este caso permite la ejecución de misiones para la captura de fotografía aéreas.
•
Computador: Equipo tecnológico que permite el procesamiento de información obtenida en campo.
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3.2.2. FASE 1: CONTROL HORIZONTAL Y VERTICAL Todas las mediciones fotogramétricas fueron sujetas a un marco de referencia materializado en mojones de cemento que fueron medidos con la mayor precisión posible con instrumentos GPS-GNSS Los puntos de control tuvieron la característica de ser foto identificables en el set de imágenes capturadas, es así, como el control horizontal y vertical se lo llevó a cabo mediante la monumentación de mojones, que, según el Instituto Geográfico Militar, la monumentación de puntos de apoyo se podrá realizar mediante la construcción de mojones de cemento (IGM, 2006). Dichos puntos se señalizaron en el lugar de tal forma que garantizaron su permanencia en el tiempo, se recomendó usar dos tipos de mojones (tipo A o B), de acuerdo a las necesidades del usuario. Para esta investigación se usó los mojones tipo B que tiene las características de: base superior 25x25 cm, base inferior 30x30, profundidad enterrado 60cm y altura sobre el piso 20cm. En la parte superior del mojón se dejó una varilla sobresaliente que representa a detalle el punto de referencia. Se planificó distribuir 7 mojones en la siguiente configuración: 6 alrededor del área piloto y 1 en el centro del área; una vez monumentados los mojones se procedió con mediciones de cada uno de ellos con instrumentos GPS/GNSS con canales doble frecuencia L1/L2 con dos equipos en simultaneo en modo base y modo móvil, de esta manera las mediciones garantizan precisión milimétrica. Adicional a los hitos monumentados se contó con lonas fotogramétricas, que son marcas con patrones foto identificables, que sirven para facilitar el traslado de la precisión de las mediciones de los hitos, al pos proceso del levantamiento fotogramétrico. Estas lonas se caracterizan por ser móviles, de tal manera que se colocaron sobre los hitos monumentados únicamente al momento del levantamiento fotogramétrico.
3.2.3. . FASE 2: IMPLEMENTACIÓN DEL ÁREA PILOTO Para el desarrollo de este experimento se dispuso de un sitio de alrededor de 2000 metros cuadrados con un porcentaje de pendiente del 35%, condiciones que resultan ideales para construir terrazas de banco. La propuesta metodológica involucrada en esta segunda fase se presenta como un proceso trasversal en el desenvolvimiento del proyecto, ya que alrededor de la construcción de terrazas se definieron los momentos puntuales a ser medidos y comparados en el estudio.
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Es necesario recalcar que esta segunda fase no inicio y termino secuencialmente con el resto de fases, ya que la preparación el área piloto es una actividad presente a lo largo en el desarrollo del experimento, es decir que en función de diferentes momentos de preparación de las terrazas se realizaron las mediciones respectivas; dentro de las actividades esenciales a continuación se detalla lo siguiente.
3.2.3.1. LIMPIEZA Y PREPARACIÓN DEL SUELO Como primera acción se realizó la limpieza de terreno, ya que el lote asignado se encontraba ocupado por vegetación natural; principalmente por árboles y zonas de pasturas. A continuación, se presentan secuencialmente los procesos empleados. •
Primero, se procedió con el desbroce de la hierba con máquinas cortadoras y pastoreo de animales.
•
En segundo lugar, se procedió con la tala de alrededor de 15 árboles destinados a leña de uso de la granja.
•
En tercer lugar, se procedió con el ingreso de una retroexcavadora que mediante su brazo hidráulico extrajo los troncos de los árboles junto con sus raíces, seguido del uso paulatino de la pala para el correspondiente desalojo de resto vegetales y minerales (troncos y rocas). Se consideró que un tractor agrícola no tendría las facilidades de trabajo en el área ya que al ser un terreno “nuevo” y con pendiente considerable dificultaría las acciones por lo que se consideró que para la primera intervención sobre la topografía se realizaría una primera moción del suelo con la azada del brazo hidráulico, al simular la acción de una azadilla, lo que llaman “piquear el suelo” se requirió de 16 horas de maquinaria para cubrir toda el área.
•
En cuarto lugar, una vez realizada la primera moción de suelo, con ayuda de estudiantes y trabajadores se extrajo material mineral (rocas) que salió a la vista. Esto con el objeto que a continuación ingresara un tractor agrícola.
•
En quinto lugar, Se procedió con el ingreso de un tractor agrícola con un arado de vertedera, el cual permitió el labrado del suelo a una capa de alrededor 60 cm de profundidad. Se empleó 8 horas de maquinaria para cubrir toda el área.
•
En sexto lugar, como resultado de la labranza del arado de vertedera se evidencio el afloramiento de rocas de mediano tamaño a lo que fue necesario intervenir con estudiantes y trabajadores para nuevamente extraerlas.
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•
En séptimo lugar, se precedió con el ingreso nuevamente de un tractor agrícola, esta vez con un arado de discos, con el fin de desmenuzar los grandes terrones de suelo que dejo como resultado la labranza del arado de vertedera. Se realizó la labranza de manera perpendicular a las líneas del arado anterior lo que se conoce como “cruza” y se realizaron dos pasadas con disco para que el suelo llegue a estar completamente desmenuzado.
En este punto el terreno recibió el tratamiento tradicional de la zona en la preparación terrenos con pendientes, listo para recibir cualquier cultivo.
3.2.3.2. CONSTRUCCIÓN DE TERRAZAS Para la construcción de las terrazas se recibió el apoyo de estudiantes y trabajadores de la granja. Las terrazas de banco fueron construidas de manera manual por cuanto el uso de maquinaria pesada para esta tarea hubiera destruido la preparación del suelo previa. Dentro del proceso de construcción se realizaron 3 actividades: •
Las primeras acciones consistieron en el diseño de las tarrazas, ya que, al considerar la pendiente, la profundidad del suelo y las facilidades de construcción se llegó a determinar que las terrazas de banco no podrían soportar una altura más allá de un metro de desnivel, por lo que su diseño estará alrededor de esta consideración.
•
En segundo lugar, se procedió con el trazado o replanteo de los contornos que definen las terrazas. Para cumplir con esta tarea se recurrió a un instrumento llamado nivel en A o agro nivel (CIMMT, 2016). Este instrumento consiste en una plomada sobre una estructura de madera que se asemeja a una A (Figura 15), sirve para trasladar el nivel de uno de sus pies al otro. Este instrumento es utilizado para el replanteo de canales incluso replanteo de curvas a desnivel, simplemente depende de la calibración de su plomada para que funcione a nivel o desnivel.
Figura 15:Agronivel (CIMMT, 2016)
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Una vez definida la altura de las terrazas se procedió con el trazado y replanteo de contornos que fueron de guía para la construcción de terrazas, con el siguiente proceso (Figura 16): a.- Se realizó el trazado de la línea madre, esta línea tuvo que ser trazada en dirección con la pendiente, y se empleó una escuadra a un metro de alto para trasladar la altura de manera escalonada, seguido se usaron estacas por donde se replantee cada contorno. b.-Una parte fundamental del agro nivel es su plomada, la cual indica el momento que un pie del aparato se encuentra a la misma altura del otro, con lo que se consigue estar seguros que ambos pies del instrumento se encuentran a la misma altura. c.- Una vez comprobado que el instrumento está en funcionamiento, se procedió a realizar el traslado de los contornos desplazando el instrumento a manera de compás, llevando una misma altura de un lugar a otro, tomando como punto de partida las estacas de la “línea madre”. También dejando estacas que sirvan de guía para los contornos. d.- Se repite el proceso descrito, al replantear los contornos que sirvieron de guía para la construcción de las terrazas, se contó con un número suficiente de estacas para distribuirlas por todo el terreno.
a
b
c
d
Figura 16:Ilustracicón de proceso de trazado de contornos para construcción de curvas de nivel.
•
En tercer lugar, en el proceso de construcción de las terrazas, se procedió con la construcción de la mismas, que gracias a todo el tratamiento previo con la intervención de maquinaria y el replanteo de contornos permitió la intervención de manera manual.
Las herramientas que se emplearon fueron: picos, palas y azadillas, de tal manera que, al contar con un suelo mullido por la intervención de las diferentes maquinarias, resta por
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acomodar el suelo a razón de respetar el nivel donde las estacas se colocaron, la acomodación del suelo fue en sentido de jalar el suelo hacia los límites establecidos por el replanteo, para así acomodar los bancales. Cabe mencionar que esta acción al ser manual es la acción que más trabajo implicó es por ellos que se necesitó de varias personas para concluir con la construcción de las terrazas.
3.2.3.3. PERIODO DE REPOSO Y ESTABILIZACIÓN Para este punto se han llegado a realizar varias intervenciones en la topografía del área piloto y cada uno de los movimientos del suelo han sido levantados, es así que finalmente se deja el área piloto por un periodo de 3 meses para que la acción del sol, del viento, del agua, y la vegetación intervengan en la estabilización de las terrazas posterior a este periodo se realiza la última medición propuesta en el experimento.
3.2.4. FASE 3: LEVANTAMIENTO FOTOGRAMÉTRICO Para el proceso de levantamiento fotogramétrico se recurrió al uso de un vehículo aéreo no tripulado, se dispuso de un dron MAVIC PLATINUM de la casa comercial DJI, vehículo que consta de una batería que brinda una autonomía de vuelo de 20 minutos. El proceso de medición se planificó realizarlo en 4 momentos de la construcción de las terrazas de manera que se puedan comparar las diferencias entre dichos momentos en atención al movimiento de las partículas de suelo y sus volúmenes, estos momentos fueron definidos en base a las actividades de intervención sobre el área piloto y se las denominó “campañas de medición”. •
Es así que la primera campaña se la realizó luego de que la maquinaria agrícola con arado de vertedera realizó la preparación del suelo.
•
La segunda medición se la realizó luego de que la maquinaria agrícola con arado de disco realizó la preparación del suelo.
•
La tercera medición se la realizó luego de que las terrazas hayan sido construidas de forma manual.
•
Y la cuarta medición se la realizó luego de 3 meses donde el área piloto fue dejada sin intervención para que se estabilizara de manera natural.
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3.2.4.1. PLANIFICACIÓN DE VUELO Dentro de la planificación de vuelo se usó la aplicación “Ground Station PRO” donde se pudo realizar planificaciones de vuelo y control en la ejecución de la misión de manera autónoma. Se planificó volar a una altura de 40 metros sobre el área piloto como se observa en la Figura 17, donde se resume la planificación creada. La planificación contó con 5 líneas de vuelo de tal forma que a una velocidad de 13Km/h se alcance una traslape longitudinal del 80% y por el espaciamiento entre líneas un traslape lateral del 80%, de esta manera se garantizó un traslape y un tamaño de pixel adecuado para brindar detalle al momento del pos procesamiento de la información. Las misiones fueron programadas para que cada levantamiento dure alrededor de 3 minutos, situación que permitió realizar 4 vuelos con la misma batería y con la misma planificación de manera que estas repeticiones ayuden a corroborar los resultados obtenidos en el pos proceso.
Figura 17:Planificación de vuelo para volar el área piloto.
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3.2.5. FASE 4: POS PROCESO DE LA INFORMACIÓN La metodología para el pos proceso de información implicó el uso de software especializado en fotogrametría digital, para esta investigación se contó utilizó Metashape Photoscan que consiste en un aplicativo de procesamiento de fotogrametría digital. Esta fase del experimento también se la llevó de manera trasversal ya que desde la primera medición cuando se preparó el suelo ya se procesó cada campaña, es decir las campañas de medición le siguieron consecuentemente su pos proceso. El pos proceso consistió en conjugar las mediciones de los puntos de control, con las imágenes capturadas para cada vuelo. Dentro del programa se cumplieron los procesos de: orientación de imágenes y densificación de puntos principalmente. Los esfuerzos de medición y pos proceso de información tuvieron como objetivo la generación de nubes de puntos, las nubes de puntos gozan de un detalle apreciable el cual fue el objeto de análisis.
3.2.6. FASE 5: COMPARACIÓN DE RESULTADOS En esta última fase del experimento se concluyeron todas las fases anteriores, por lo que se procedió a realizar la comparación de las diferentes campañas de campo y sus datos. Una vez pos procesadas las mediciones de las campañas de campo, quedó completado el diseño experimental para el análisis. Este experimento constó de 4 campañas de mediciones para comparar estadísticamente, asumiendo como tratamientos, y a cada tratamiento con sus respectivas repeticiones (4 repeticiones), asegurando de esta manera una buena representación de las mediciones obtenidas Para el análisis de los datos y comparaciones como tal se realizó dos momentos: •
En primer lugar, se procedió con el análisis de normalidad del conglomerado de 16 registros estadísticos, producto del procesamiento fotogramétrico, donde se obtienen valores como: número de puntos de enlace (tiePoints), tamaño de pixel (cm/px,), altura de vuelo calculada (FlyingAltitud), número de puntos en la nube de puntos (pointCloud), y los errores medio cuadráticos calculados por el programa en comparación con los puntos de control (Xerror, Yerror, Zerror)
Con estos valores se realizó pruebas de normalidad y estadística descriptiva para estudiar la homogeneidad de los datos.
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•
En segundo lugar, se realizó la exportación de las nubes de puntos en archivos .LAS, archivos que luego fueron procesados en el software CLOUD COMPARE el cual permite realizar tareas de administración y análisis a las nubes de puntos. En una primera instancia se recortaron todas las nubes de puntos con un mascara que corresponde al área que involucra exclusivamente a las terrazas, evitando problemas con efectos de borde (del límite inicial se realizó un buffer negativo de 2 m).
Luego de obtener las 16 nubes de puntos se procedió a realizar el cálculo de volúmenes, comparando las combinaciones propuestas expresadas en la siguiente tabla. Tabla 3:Relaciones de comparación establecidas.
COMBINACIÓN COMPARACIÓN CAMPAÑAS
B vs C C vs D D vs E B vs D B vs E En donde se aprecia como combinaciones (Tabla 3): •
La primera campaña de medición denominada “B” con la segunda “C”
•
La segunda campaña “C” con la tercera “D”
•
La tercera campaña “D” con la cuarta “E”.
•
Además, las combinaciones de la primera campaña “B” con la tercera “D”
•
Finamente la campaña “B” con la cuarta “E”
Consiguiendo relacionar todas las combinaciones producto de las 4 campañas de levantamiento. De estas combinaciones se obtuvieron valores volumétricos positivos (depósitos) y negativos (erosión) producto de la cuantificación de una campaña a otra, además producto de la suma de los valores positivos y negativos se obtiene el volumen general, producto del balance entre volúmenes positivo y volúmenes negativos, adicionalmente gracias al software Cloud Compare con su módulo “M3C2” (James et al., 2017), este plugin fue diseñado para determinar cambios en la comparación netamente en 3D por nubes de puntos, utilizado en la detección de topografías complejas, permitiendo ubicar espacialmente los cambios entre nubes de puntos coincidentes. A este tipo de herramientas se las conoce como detección de cambios. Con esta herramienta permitió detectar espacialmente donde se encontraban los cambios entre las comparaciones de las nubes de puntos ya mencionadas.
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A cada variable que corresponde a 1 de los 4 momento de medición (campañas de campo) se le aplica un análisis de varianza que comprobó la homogeneidad de los datos levantados por variable y por grupos. Posteriormente se procedió a realizar comparaciones volumétricas entre las 4 mediciones con sus respectivas repeticiones obteniendo un total de 16 comparaciones, a las que se les aplicó un test estadístico para comprobar su nivel de significa ya así determinar si existe o no cambios entre campañas y de ser necesario su categorización en resultados.
En base a los resultados se escogió las observaciones más representativas del estudio para realizar comparaciones mediante un complemento del programa “Cloud Compare” llamado “M3C2” el que permite hacer un control de detección de cambios para ilustrar espacialmente donde se produjo depósitos y erosión de partículas de suelo. Los datos tabulados con valores volumétricos fueron analizados mediante el complemento “Statistician V2.0” bajo Excel y el programa “Infostat” que es un software de análisis estadísticos.
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CAPÍTULO 4.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
De acuerdo a los 3 objetivos planteados para el experimento se obtuvieron sus correspondientes resultados, que se presentan a continuación basados en el cumplimiento del paso a paso metodológico, expresado a través de las “fases” (como se muestra en el flujograma en la Figura 14). A continuación, los resultados obtenidos a partir de cada fase planteada en la metodología, para consecuentemente llegar a analizar resultados y discusiones.
4.1. RESULTADOS 4.1.1. IMPLANTACIÓN DE UN ÁREA PILOTO Como se observa en la metodología, para alcanzar el objetivo “Implantar un área piloto para el levantamiento, construcción y estudio del proceso de formación de terrazas agrícolas, así como un marco de referencia para control horizontal y vertical” se planteó el cumplimiento de la fase 1 y fase 2:
4.1.1.1. FASE1: CONTROL HORIZONTAL Y VERTICAL En esta fase se consiguió llevar acabo el establecimiento de un control horizontal y vertical materializados en 7 mojones de cemento distribuidos en el contorno inmediato del área piloto además en el centro del experimentos como se observa en la Figura 18 , los 7 puntos de control fueron construido en un encofrado de madera y rellenos de cemento y piedra, consta también en su parte superior una varilla sobresaliente que indica la referencia física del punto que representa el mojón como se observa en la Figura 19
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Figura 18:Distribución de puntos de control horizontal y vertical
Luego de la construcción de los hitos se procedió con la medición de los mismo con un equipo GNSS Trimble modelo R8, en modo base y móvil, in situ se colocó el receptor base en el punto de control denominado A, y luego se procedió a levantar el resto de puntos de control.
Figura 19: Mojones monumentados.
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En el pos proceso de las mediciones GNSS, se corrigió en primer lugar el punto “A” tomado como base, por lo que se generó un vector entre el receptor base y la antena de monitoreo continuo del IGM ubicada en la ciudad de Cuenca, obteniendo un punto de partida para referir el resto de mediciones consecuentemente. Con la base corregida se procesó los vectores generados entre el receptor base y móviles, En la Figura 20, se encuentra el resultado del error alcanzado tanto en el cálculo del vector principal como de los locales. Entre los errores alcanzados en los puntos de control se aprecia errores entre 2 y 4 milímetros en horizontal y 4 a 7 milímetros en vertical.
Figura 20:Precisiones alcanzadas en el pos proceso de levantamiento GNSS
En conclusión, como resultado se pudo contar con los valores corregidos de las coordenadas para el sistema de proyección WGS84 zona UTM 17 sur y modelo geoidal EGM96. En la Tabla 4 se detallan las coordenadas de los 7 puntos además de la estación de monitoreo continuo.
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Tabla 4:Puntos de control calculados.
ID
Este(m)
Norte (m)
Elevación (m)
A
753747.128
9694640.615
2176.495
B
753727.425
9694669.026
2170.363
C
753750.732
9694694.124
2167.616
CUEC
722037.612
9681111.691
2608.409
D
753783.818
9694722.522
2170.918
E
753795.856
9694679.433
2178.729
F
753781.038
9694666.562
2177.805
G
753773.706
9694686.714
2173.002
4.1.1.2. FASE 2: PREPARACIÓN DEL ÁREA PILOTO
En esta fase se tuvo como objetivo la preparación del área piloto comprendida en 3 etapas como se muestra en el flujograma las cuales consisten en: •
Limpieza y preparación del suelo
•
Construcción de terrazas,
•
Periodo de reposo y estabilización de terrazas
A continuación, se presenta con una secuencia fotográfica como evidencia de los procesos empleados y los cambios topográficos sufridos por el área piloto durante la limpieza y preparación del suelo.
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21a
21b
21c
Figura 21: Imagen 21a,21b,21c que representan el estado inicial del área piloto
En la Figura 21, se observa el estado inicial del área piloto donde la presencia de árboles y pastos dominan el área.
22a
22b
22c
Figura 22:imagen 22a,22b,22c, empleo de maquinaria para el destronque, remoción y primer movimiento del suelo.
En la Figura 22, imagen 22a se evidencia de la primera intervención de maquinaria, donde una retroexcavadora se encargó de remover los troncos incluidas sus raíces, desalojó los restos vegetales y minerales, además como se aprecia en la imagen 22b se procedió con la
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primera remoción de suelo a una profundidad de 60 cm con ayuda del brazo hidráulico de la retroexcavadora.
23b
23a
Figura 23: Imagen 23a, 23b, mullido del suelo con intervención de maquinaria Agrícola con apero de vertedera.
En la Figura 23, imagen 23a se observa la primera intervención de la maquinaria agrícola con arado de vertedera, el cual actuó luego de la remoción del suelo con la retroexcavadora, en este proceso el arado de vertedera actúa a 40cm y su función consiste en que la parte del cuerpo del arado eleva, rebate, invierte los terrenos de suelo consiguiendo el mullido y volteado del suelo. En la imagen 23b se observa una panorámica del área piloto luego del arado de vertedera. 24a
24b
Figura 24: Imagen 24a, 24b, mullido del suelo con intervención de maquinaria agrícola con apero de disco.
En la Figura 24, imagen 24a se observa la segunda intervención de la maquinaria agrícola, esta ocasión de un arado de disco que permitió completar las acciones de mullido de suelo con el rompimiento de los terrones de suelo en donde la función principal de este tipo de
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aperos es la incorporación homogénea de materiales, en la imagen 24b se observa una panorámica luego de realizado la intervención a toda el área piloto. 25a
25b
25c
25d
Figura 25: Imagen 25a, 25b,25c, 25d empleo de niveles en “A” y herramientas de labranza para construcción manual de terrazas de banco
En la Figura 25, imagen 25b, 25c se observa el proceso de construcción manual de las terrazas con el uso de picos y azadones, en la imagen 25d se evidencia el uso en esta etapa del nivel en “A” permitiendo acomodar la tierra en función de los contornos replanteados en el terreno. En la imagen 25a se observa una panorámica del resultado final con la conformación de las terrazas.
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26b 26a 26c
Figura 26: Imagen 26a,26b,26c resultado de la etapa del periodo de reposo y estabilización de 3 meses
En la Figura 26, imagen 26a y 26b se observa observar el área piloto luego del periodo de 3 meses donde se dejó que las terrazas sean influenciadas por acción del sol, del viento, del agua, y la vegetación, luego de este periodo fue necesario realizar una limpieza del lote como se observa en la imagen 26c para lo que se emplearon desbrozadoras quedando un área limpia de malezas dejando expuestas a las terrazas para realizar la última medición planteado en experimento.
4.1.1.3. FASE 3: LEVANTAMIENTO FOTOGRAMÉTRICO El levantamiento fotogramétrico se lo realizó de manera paulatina con el proceso de construcción de terrazas, es así como se consiguió definir 4 momentos que se lo denominó como “Campañas de campo”: •
La primera luego de la intervención de la maquinaria agrícola con arado de vertedera
•
La segunda luego de la intervención del arado de discos.
•
La tercera luego de la construcción de las terrazas.
•
Y una cuarta campaña luego de que las terrazas fueron dejadas en reposo por 3 meses.
En la Figura 27 se observa los 4 conjuntos de datos como resultado de la fase 3, recolectados en 4 momentos definidos del proceso de construcción de las terrazas.
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Campaña de campo 1 Conjunto de datos: B
Campaña de campo 2 Conjunto de datos: C
31 Enero 2020
Observación: Luego del Arado de vertedera se monumentaron 7 hitos
2o de Febrero 2020
Observación: 2da campaña de campo luego del arado de discos
Campaña de campo 3 Conjunto de datos: D
Campaña de campo 4 Conjunto de datos: F
6 de Marzo de 2020
22 de Junio de 2020
Observación: 3ra campaña de campo lego de la construcción de las terrazas
Observación: 4ta campaña, luego un periodo de estabilización de la terraza
Vuelo1
Vuelo1
Vuelo1
Vuelo1
Vuelo2
Vuelo2
Vuelo2 Vuelo3 Vuelo3
Vuelo3 Vuelo4
Vuelo2 Vuelo3
Vuelo4
Vuelo4
Vuelo4
Georreferenciación con Puntos de Control
Georreferenciación con Puntos de Control
Georreferenciación con Puntos de Control
Georreferenciación con Puntos de Control
Figura 27::Resultado de conjunto de datos levantados en 4 momentos de la construcción de las terrazas.
4.1.1.4. FASE 4: POS PROCESO DE LA INFORMACIÓN Estos datos fueron pos procesados con el software especializado Metashape de Agisoft (Figura 28), el proceso fotogramétrico digital se lo realizó a los 4 conjuntos de datos producto de cada campaña de campo, con un total de 16 procesos que completaron las siguientes etapas del proceso fotogramétrico: •
Alineado
•
Colocación de puntos de control,
•
Densificación de punto
•
Clasificación de puntos.
Como resultado se obtuvieron 16 nubes de puntos que fueron comparadas entre sí.
61
Figura 28:Resultado de una de las nubes de puntos correspondientes al levantamiento C.
4.1.1.5. FASE 5: COMPARACIÓN DE RESULTADOS La comparación final de los resultados se llevó a cabo en 3 etapas: •
La primera etapa consistió en un análisis de estadística descriptiva producto de los datos recolectados como resultado del pos proceso de información.
•
La segunda etapa aplicando un análisis estadístico cuantitativo ANOVA;
•
Y una tercera etapa con la visualización del desplazamiento volumétrico representados espacialmente mediante la herramienta “M3C2”.
Es así que para la primera etapa de análisis de estadísticos descriptivos se tabularon las siguientes variables: ▪
Número de puntos de enlace (tiePoints)
▪
Tamaño de pixel (cm/px)
▪
Altura de vuelo calculada (FlyingAltitud)
▪
Número puntos en la nube densa (pointCloid)
▪
Y los errores medio cuadráticos calculados por el programa en comparación con los puntos de control (Xerror, Yerror, Zerror)
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Con esas variables se calcularon medidas de dispersión como desviación estándar y varianza como se muestra en la Tabla 5. Entre las variables analizadas se encuentra el número de puntos de enlace obtenido por el algoritmo SfM, con un promedio de 267,362 puntos de enlace con una dispersión de 26,341 puntos lo cual demuestra cierta homogeneidad entre la dispersión y el promedio en los datos. De igual manera el tamaño de pixel en cm obtenidos luego del procesamiento reporta una media de 1.3 cm/pixel con una desviación estándar de 0.04. El promedio de puntos obtenidos luego de la densificación corresponde a un promedio de 34,402,803 puntos con una desviación estándar de 2,230,346 puntos. En cuanto a la precisión se analizaron los errores medio cuadráticos reportados por el programa Metashape luego del pos proceso en donde para X se obtuvo una media de 3.7 cm para Y=4.1 cm y para Z = 7.7 cm con desviaciones estándares de 0.4, 0.3 y 0.7 cm lo cual demuestra que la relación entre las desviaciones estándar de los datos de todas las variables analizas en comparación de las medias de las mismas variables (16 datos recolectados), los datos tienden a mostrarse homogéneos entre sí, lo que indica que la metodología de recolección de información en campo y pos proceso de levantamiento fue homogénea.
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Tabla 5: resultados obtenidos de 16 mediciones producto de 4 momentos con 4 repeticiones
RESULTADOS DEL PROCESAMIENTO DE LOS GRUPOS DE DATOS Trat B_v1 B_v2 B_v3 B_v4 C_v1 C_v2 C_v3 C_v4 D_v1 D_v2 D_v3 D_v4 E_v1 E_v2 E_v3 E_v4 Count Mean Std Dev Variance
TiePoints 314,427 289,423 295,674 301,925 244,917 252,815 256,684 251,472 286,560 277,942 265,392 276,631 226,831 219,183 276,945 240,986 16 267,362.98 26,341.11 693,854,124.33
cm/pix 1.32 1.31 1.31 1.32 1.42 1.42 1.41 1.42 1.31 1.33 1.32 1.32 1.37 1.34 1.33 1.35 16 1.35 0.04 0.00
FlyingAltitud 45.70 45.60 45.63 45.65 49.40 49.50 49.40 49.43 44.80 46.20 45.50 45.50 48.30 47.50 46.70 47.50 16 47.02 1.65 2.71
#pointCloud 33,749,631 35,670,691
35,190,426 34,710,161 31,675,878 32,435,852 31,822,314
31,978,015 33,849,422 33,093,742 32,439,536
33,127,567 36,356,088 38,489,264 38,180,859
37,675,404 16 34,402,803.06 2,230,346.88 4,974,447,188,463.18
RMSpcError cm Xerror Yerror Zerror 4.61 4.15 9.43 3.95 3.73 9.31 4.12 3.84 9.34 4.28 3.94 9.37 3.64 4.07 7.12 3.18 3.86 7.15 3.01 3.58 7.55 3.28 3.84 7.27 4.48 4.85 7.83 3.72 4.25 7.72 3.79 4.13 7.99 3.99 4.41 7.85 3.69 4.30 7.45 3.12 4.09 7.55 3.49 4.33 7.96 3.43 4.24 7.65 16 16 16 3.74 4.10 8.03 0.47 0.30 0.80 0.22 0.09 0.65
Para la segunda etapa del análisis estadístico fue necesario usar el programa CLOUDCOMPARE, con la herramienta “compute 2.5D volume” en donde en base a cada una de las nubes de puntos se procedió a realizar combinaciones entre campañas de campo (Tabla 3) y se obtuvieron diferencias expresadas en volumen, como resultado el programa devolvió valores de volúmenes positivos donde ha detectado acumulación de partículas de suelo y valores negativos donde detectó erosión, siendo la diferencia de estos volúmenes el resultado global de volumen calculado, como se observa en la Tabla 6. A continuación, se presentan las combinaciones: •
La primera combinación corresponde a la primera campaña de campo (luego del arado de vertedera) con la segunda campaña “C_v” (luego del arado de discos) denominada “B_v/C_v”.
64
•
La segunda combinación corresponde a la segunda campaña de campo “C_v” con la tercera campaña de campo “D_v” (luego de la construcción de las terrazas) tratamiento denominado “C_v/D_v”.
•
La tercera combinación corresponde a la tercera campaña de campo “D_v” con la cuarta campaña de campo “E_v” (luego del periodo de estabilización) tratamiento denominado “D_v/E_v”.
•
La cuarta combinación corresponde a la primera campaña “B_v” con la cuarta campaña “E_v” tratamiento denominado “B_v/E_v”.
•
Y la quinta combinación corresponde a la primera campaña “B_v” con la tercera campaña “B_v/D_v” tratamiento denominado “B_v/D_v”. Tabla 6: Diferencia de Volúmenes Calculados (m3)
REPETICIONES /COMBINACIONES
Rep 1 Rep 2 Rep 3 Rep 4
+ 18.13 23.5 18.1 12.8
B_v/C_v vol
Diferencia de Volúmenes Calculados (m3) C_v/D_v D_v/E_v B_v/E_v + vol + vol + vol
-155 137.35 103 -95.9 -141 -117 115.3 -83.1 -161 -143.3 117.2 -90.3 -186 -172.8 102 -101
7.1 -28.3 26.9 1.1
47.5 61.1 42.8 64.7
-10.1 -7 -12.9 -6
37.4 54.1 29.9 58.7
67.8 70.4 71.4 59.6
-161 -93.3 -161 -90.2 -158 -86.5 -175 -115.1
B_v/D_v + vol 60.4 56.8 66.9 55.7
-190 -129.9 -202 -145 -183 -116.4 -202 -145.8
ÁREA DE INTERÉS=1732,3 m2
Y luego de aplicar un análisis ANOVA para factores únicos (ANOVA single factor) con un alfa de 0.5, para determinar semejanza entre tratamientos representados por las 5 combinaciones que dieron como resultado las comparaciones volumétricas entre campañas de campo. Se agruparon todos los valores de volúmenes positivos, negativos y globales con lo que se obtuvieron los siguientes resultados: Para los grupos de volúmenes positivos como se observa en la Tabla 7, como resultado se rechaza la hipótesis nula (hipótesis genérica) correspondiente a que todas las medias de los tratamientos son iguales por lo tanto se acepta la hipótesis alternativa de que los tratamientos NO son iguales entre sí, se llega a esta conclusión gracias a que el valor correspondiente a “P-VALUE” es menor que 0.5 o su “F estadísticas” es mayor que la “F Critica” 53.97>3.0556
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Tabla 7:ANOVA de factor único para los volúmenes positivos.
ANOVA Table: Single Factor Source of Variation: Treatments: Error: Total:
d.f. 4 15 19
Sum Squares 17,057.38 743.65 17,801.03
Mean Squares 4 264.34 49.58
F Statistic 86.0150
F Critical 3.0556
Null Hypothesis: The Means of all of the Treatments are Equal. Alternative Hypothesis: Not all of the Means of the Treatments are Equal. F (4.15) Statistic: Critical Value: Alpha: p-Value:
86.0150 3.0556 0.05 0.0000
Decision Rule: Reject the Null Hypothesis if F Statistic > 3.0556 or p-Value < 0.05 Conclusion: Reject the Null Hypothesis
De la misma manera para el grupo de volúmenes negativos como se observa en la Tabla 8, como resultado también se rechaza la hipótesis nula (hipótesis genérica) correspondiente a que todas las medias de los tratamientos son iguales por lo tanto se acepta la hipótesis alternativa de que los tratamientos NO son iguales entre sí, se llega a esta a esta conclusión gracias a que el valor correspondiente a “P-VALUE” es menor que 0.5 o su “F estadística” es mayor que la “F Critica” 175.6>3.0556.
p-Value 0.0000
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Tabla 8: ANOVA de factor único para los volúmenes negativos.
ANOVA Table: Single Factor Source of Variation: Treatments: Error: Total:
d.f. 4 15 19
Sum Squares 87,999.56 1,612.93 89,612.48
Mean Squares 21,999.89 107.53
F Statistic 204.5962
F Critical 3.0556
Null Hypothesis: The Means of all of the Treatments are Equal. Alternative Hypothesis: Not all of the Means of the Treatments are Equal. F(4.15) Statistic: Critical Value: Alpha: p-Value:
204.5962 3.0556 0.05 0.0000
Decision Rule: Reject the Null Hypothesis if F Statistic > 3.0556 or p-Value < 0.05 Conclusion: Reject the Null Hypothesis
De la misma manera que las comparación de los grupos de volúmenes positivos y negativos, el grupo de volúmenes generales se analizó como se observa en la Tabla 9, como resultado también se rechaza la hipótesis nula (hipótesis genérica) correspondiente a que todas las medias de los tratamientos son iguales por lo tanto se acepta la hipótesis alternativa de que los tratamientos NO son iguales entre sí, se llega a esta conclusión gracias a que el valor correspondiente a “P-VALUE” es menor que 0.5 o su “F estadísticas” es mayor que la “F Critica” 88.63>3.0556.
p-Value 0.0000
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Tabla 9: ANOVA de factor único para los volúmenes generales.
ANOVA Table: Single Factor Source of Variation: Treatments: Error: Total:
d.f. 4 15 19
Sum Squares 121,627.35 3,802.66 125,430.01
Mean Squares 30,406.84 253.51
F Statistic 119.9430
F Critical 3,0556
Null Hypothesis: The Means of all of the Treatments are Equal. Alternative Hypothesis: Not all of the Means of the Treatments are Equal. F(4.15) Statistic: Critical Value: Alpha: p-Value:
119.9430 3.0556 0.05 0.0000
Decision Rule: Reject the Null Hypothesis if F Statistic > 3.0556 or p-Value < 0.05 Conclusion: Reject the Null Hypothesis
Demostrándose de esta manera que mediante los 3 volúmenes (positivos, negativos y globales), en base a sus respectivas combinaciones y repeticiones, los ANOVAS calculados muestras que las combinaciones entre campañas de campo poseen diferencias significativas, es decir que son diferentes. Como siguiente paso al haber determinado que los tratamientos NO SON IGUALES solo resta determinar si los tratamientos relacionados a pesar de que son diferentes, podrían existir algún tipo de relación entre ellos, para eso se recurrió a un análisis de comparación de pares en específico a un test de “Tuckey Kramer”. Se realizó este test a los volúmenes positivos, negativos y generales obteniendo los siguientes resultados. En el caso de los volúmenes positivos se observa en la Tabla 10, que se reconocen 3 grupos de significancia: •
B_v/C_v en donde las medias del tratamiento corresponden a la comparación de la
intervención de arado de vertedera versus disco, posee la media más baja de volúmenes depositados (positivos).
p-Value 0.0000
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•
D_v/E_v; B_v/D_v; B_v/E_v un segundo grupo que representan a las correspondientes
combinaciones; terrazas vs periodo de estabilización, vertedera vs terrazas, vertedera vs periodo de estabilización respectivamente, están agrupadas y poseen similar acumulación de suelo mostrando las medias intermedias pero similares con acumulaciones de partículas de suelo alrededor de 50m3 •
C_v/D_v corresponde a arado de disco vs terrazas se diferencia de los grupos anteriores con la mayor acumulación de partículas con las medias más altas. Tabla 10:Test de Tukey, para comparación de pares para valores de volúmenes positivos
Test:Tukey Alpha:=0.05 LSD:=15.37415 Error: 49.5768 df: 15 V. Positivo TRAT Means n S.E. Group B_v/C_v 18,13 4 3,52 A D_v/E_v 54,03 4 3,52 B B_v/D_v 59,95 4 3,52 B B_v/E_v 67,30 4 3,52 B C_v/D_v 109,38 4 3,52 C Means with a common letter are not significantly different (p > 0.05)
De manera gráfica en la Figura 29 se observa las agrupaciones como resultado del test de Tukey con una perspectiva de magnitud de las diferencias de las medias que permiten agruparse a los valores para volúmenes positivos.
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Figura 29:Comparación de pares para volúmenes positivos
En cuanto a los volúmenes negativos se observa en la Tabla 11, que se aprecian 4 grupos significativamente diferentes según sus medias, donde los tratamientos: •
B_v/D_v correspondiente a la comparación del arado de vertedera vs la terraza, corresponde al primer grupo, con el mayor valor de las medias para volúmenes erosionados (negativos).
•
B_v/E_v y B_v/C_v correspondientes a las combinaciones vertedera vs periodo de reposo y vertedera vs discos corresponden a un segundo grupo, que le sigue en cantidad de valores de las medias para volúmenes erosionados (negativos).
•
C_v/D_v Un tercer grupo lo conforma el tratamiento equivalente a la combinación de arado de disco vs terraza, que se separa de los anteriores con valores en sus medias alrededor de 93m3.
•
D_v/E_v correspondiente a la combinación de terraza vs periodo de reposos se ubica en cuarto lugar alejándose de los demás con los menores valores de las medias que representan erosión (volúmenes negativos).
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Tabla 11: Test de Tukey, para comparación de pares para valores de volúmenes negativos
Test:Tukey Alpha:=0.05 LSD:=22.64044 Error: 107.5143 df: 15 TRAT Means n B_v/D_v -194.23 4 B_v/E_v -163.58 4 B_v/C_v -160.75 4 C_v/D_v -93.55 4 D_v/E_v -9.00 4
S.E. 5.18 5.18 5.18 5.18 5.18
V. Negativo Group A B B C D
Means with a common letter are not significantly different (p > 0,05)
De la misma manera en la Figura 30 como resultado del test de Tukey, se aprecia la magnitud de las diferentes medias que permiten agrupar los tratamientos como se describió anteriormente para los volúmenes negativos.
Figura 30: Comparación de pares para volúmenes negativos.
Finalmente, producto de la diferencia de los valores positivos y negativos se obtuvo los valores generales a los cuales también se los analizó estadísticamente mediante el test de Tukey obteniendo la Tabla 12, ahí se observa que los datos devuelven 3 grupos significativamente diferentes según sus medias: •
El primer grupo conformado por los tratamientos “B_v/C_v”, “B_v/D_v” correspondientes a arado de vertedera vs arada de disco, arado de vertedera vs terrazas respectivamente, representan la diferencia de las medias para volúmenes generales donde valores negativos indican partículas de suelo erosionadas.
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•
Un segundo grupo correspondiente al tratamiento “B_v/E_v” equivalente a arado de vertedera vs periodo de reposo que de igual manera al grupo anterior presenta volúmenes donde los valores negativos indican partículas de suelo erosionadas, pero en menor cantidad que las medias anteriores.
•
Y un tercer grupo correspondiente a los tratamientos “C_v/D_v” y “D_v/E_v” equivalentes a arado de vertedera vs terrazas y terrazas vs periodo de reposo, indican que la diferencia de las medias de los volúmenes generales representa valores positivos lo que indica acumulación de partículas.
Tabla 12: Test de Tukey, para comparación de pares para valores de volúmenes generales.
Test:Tukey Alpha:=0.05 LSD:=34.76322 Error: 253.4758 df: 15 V. General TRAT Means n S.E. Group B_v/C_v -142.63 4 7.96 A B_v/D_v -134.28 4 7.96 A B_v/E_v -96.28 4 7.96 B C_v/D_v 15.83 4 7.96 C D_v/E_v 45.03 4 7.96 C Means with a common letter are not significantly different (p > 0.05)
En la Figura 31, finalmente se observa el grafico que agrupa los valores para los volúmenes generales, con sus respectivas agrupaciones.
Figura 31: Comparación de pares para volúmenes generales
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Como tercera etapa del análisis de información, se utilizó la herramienta llamada “M3C2” dentro de Cloud Compare. gracias a la primera etapa de análisis se pudo determinar datos homogéneos (en cuanto a generación de nubes de puntos), esto permitió escoger aleatoriamente 1 de las 4 repeticiones para cada campaña de campo y procesar según las establecidas. Para el uso de la herramienta M3C2, se necesitó como datos de entrada 2 nubes de puntos para realizar las comparaciones de detección de cambios y se esperó como resultado una nube de puntos con un nuevo valor expresado en metros que representó espacialmente los cambios detectados. Una vez realizado el cálculo para presentar la información se ajustaron los valores calculados en una escala de visualización en donde de -0.5 a 0 con colores fríos de purpura a azul y de 0 a 0.5 con colores cálidos de amarillo a rojo y en la mitad los valores alrededor de cero se muestran de color blanco, estas degradaciones de color permitieron mostrarse los cambios espacialmente. A continuación, se presenta los resultados obtenidos en orden a como las combinaciones fueron planteadas: •
Combinación “B_v/C_v”
Se comparó la primera nube de puntos llamada “B” con la segunda nube de puntos llamada “C” y se obtuvo una nube de puntos representada en la Figura 32. Los lugares donde ha existido depósitos de partículas de suelo se representó en colores cálidos (amarillo/rojo) y los lugares donde ha existido perdidas de suelo o erosión se representó con colores fríos (purpura/azul) lo que al analizar el resultado coincide con la Figura 29, donde la media de valores volumétricos positivos es la menor de todas las medias, y la media de los valores volumétricos negativos en la Figura 30 es contundentemente mayor en proporción al valor anterior lo que en balance permitió observar la presencia de puntos en colores fríos predominantemente, los puntos donde se colorearon de blanco corresponden a lugares donde no se han producido diferencias entre las nubes de puntos.
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Figura 32:Análisis de detección de cambios para el levantamiento “B” vs “C” (B_v/C_v)
•
Combinación “C_v/D_v”
La segunda combinación a describir corresponde al levantamiento “C” con el levantamiento “D”. Como se observó en la Figura 29 los valores volumétricos positivos para esta combinación son los mayores al resto y los valores volumétricos negativos para esta combinación también son altos (Figura 30). Situación que al calcular el volumen general se contrarresta ya que el balance de dichos volúmenes resulta equiparable, lo que indica que no hay mayor pérdida o adición de partículas de suelo como se observa en la Figura 33 y se produce únicamente un cambio de posición en las partículas de suelo, es así que los colores cálidos como los colores fríos se encuentran localizados por separado y corresponden a los lugares de talud y base que se
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forman para construir la terraza, indicando que solo existió movimiento de las partículas más no grandes pérdidas o ganancias.
Figura 33: Análisis de detección de cambios para el levantamiento “C” vs “D” (C_v/D_v).
•
Combinación “D_v/E_v”
La tercera combinación a describir corresponde al levantamiento “D” con el levantamiento “E”. En esta combinación se comparó los levantamientos correspondientes a la terraza vs el periodo de reposo, al analizar las magnitudes de esta combinación en la Figura 31 se puede observar que el volumen general es el más alto calculado por lo que indicaría que en esta combinación existió un balance positivo que correspondería con la adición de partículas de suelo, sin embargo en la Figura 34 se puede observar que en la detección de cambios
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graficada (con las mismas consideraciones que las nubes de puntos anteriores) no se observa espacialmente depósitos o erosión coloreados. Por lo que al analizar este resultado solo se puede explicar el balance positivo gracias a que luego del periodo de reposos para la estabilización de la terraza, hubo la presencia de material vegetal que se intentó remover pero que no se logró quitar del todo para la última medición. Dicho balance positivo no es suficiente para mostrarse en la escala de visualización por lo que en la Figura 34 el color predominante es el blanco.
Figura 34: Análisis de detección de cambios para el levantamiento “D” vs “E” (D_v/E_v).
•
Combinación “B_v/E_v” y “B_v/D_v”
La cuarta combinación a describir corresponde al levantamiento “B” con el levantamiento “E” y la quinta combinación corresponde al levantamiento “B con el levantamiento “D”
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estas combinaciones representan a la intervención con arado de vertedera vs periodo de reposo y vertedera vs terraza respectivamente. Estas combinaciones junto a la primera combinación (“B_v/C_v”) son las únicas que presentan balances negativos en el volumen general, además “B_v/E_v” y “B_v/D_v” en los volúmenes positivos y negativos comparten el mismo comportamiento.
Figura 35: Análisis de detección de cambios para el levantamiento “B” vs “E” (B_v/E_v).
Al analizar la representación espacial de detección de cambios en la Figura 35 y Figura 36 se puede observar que gráficamente sucede lo mismo que ya se mencionó con la combinación (C_v/D_v) donde en función de la construcción de las terrazas se aprecia gráficamente donde se dieron los depósitos y erosiones detectados, cambiando los valores de volumétricos únicamente. Así se observa en colores cálidos valores positivos y en colores frío valores negativos, situación que se presenta en ambas figuras.
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Figura 36: Análisis de detección de cambios para el levantamiento “B” vs “D” (B_v/D_v).
4.2. DISCUSION Producto del análisis de los resultados y antes de pronunciar las conclusiones es pertinente mencionar algunas discusiones sobre los temas más relevantes descubiertos en el experimento. En cuanto a la primera etapa de análisis donde se determinó la homogeneidad de los datos, se llegó a este resultado en cuanto se compararon los valores estadísticos de variables propias del procesamiento del flujo fotogramétrico, demostrando que las medias y desviaciones estándar de los 16 levantamientos (4 campañas/4 repeticiones) comparten iguales características entre variables, sin embargo no quiere decir que las nubes de puntos sean iguales sino que confirma que el procesamiento aplicado fue el mismo para todas.
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En cuanto a la segunda etapa de análisis se resalta que tanto el ANOVA como el test de Tukey, fueron aplicadas a los valores positivos, negativos y generales donde se observó que para los ANOVAS todos concluyeron lo mismo, pero los test de pares (Tukey Kramer) mostraron cómo las combinaciones propuestas se agrupaban en diferentes grupos de significancia. Con la herramienta “compute 2.5D volume” del programa CloudCompare, se obtuvieron valores volumétricos positivos y negativos que representan respectivamente a depósitos y erosión desde la perspectiva de volumen aumentado o perdido. Consecuentemente el balance de volumen positivos y negativos se expresa como volumen general. En este estudio se analizaron por separado estos tres volúmenes ya que las magnitudes de los volúmenes positivos y negativos brindan una mirada adicional para entender el comportamiento de las combinaciones propuestas. Producto de los análisis de los volúmenes se puede mencionar que para el tratamiento B_v/C_v, el balance de positivos y negativos devuelve un valor negativo en el volumen general lo que indicaría que producto del paso del arado de vertedera al arado de disco se pierde volumen es decir se erosiona. En esta lógica en el sitio se esperaría observar depósitos erosionados fuera de la parcela del experimento, situación que no sucedió, por lo que es necesario considera que la acción del arado de disco al realizar el mullido y desmenuzado del suelo obliga a reducir el volumen de este, que es justamente lo que corresponde con lo representado por los datos. En cuanto al paso de arado de disco a la terraza tratamiento denominado C_v/D_v, a simple vista es el cambio físico más evidente, sin embargo, al analizar los datos espacialmente mediante la detección de cambios se puede observar que volumétricamente no existen cambios significativos y que el balance de los volúmenes depositados y erosionados no es alto por lo que se observa cómo las partículas de suelo simplemente sufren un cambio de posición. En el tratamiento D_v/E_v, correspondiente a la combinación de terraza vs periodo de reposo, presentó un incremento en los volúmenes depositados lo que podría explicarse por la vegetación que creció luego de los 3 meses de periodo de estabilización de la terraza y no pudo ser retirado por completo durante dicha medición. Situación que trae a discusión la posibilidad de restringir los levantamientos fotogramétricos donde hay presencia de
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vegetación. Esta situación es una potencial limitante al uso de esta tecnología con fines topográficos, obligando a obtener topografía únicamente de los objetos directamente observados, ya que donde existe presencia de vegetación los valores topográficos incrementan el error o no es posible determinarlo. Si bien no es por la capacidad de la tecnología sino por falta de pixeles correspondientes a suelo desnudo, ante esta situación Lee et al. (2015) coinciden mencionando que en el caso de querer estudiar deslizamientos, los volúmenes se ven afectados por la presencia de la vegetación. De este análisis se puede resaltar que las 3 primeras combinaciones son las que presentan cambios más representativos pero que en su conjunto son suficiente para dar respuesta favorable a las preguntas de investigación y la hipótesis donde con las evidencias del caso queda demostrado que el estudio del comportamiento de las partículas de suelo con técnicas fotogramétricas y reconstrucción de nubes de puntos mediante SfM permiten hacer un seguimiento y estudio de dicho comportamiento. En otro sentido como discusión es digno de mencionar que los levantamientos fotogramétricos han sido ampliamente estudiados en cuanto tiene que ver con la precisión alcanzada coincidiendo con lo que mencionan Mancini et al. (2013), sin embargo es necesario mencionar que la precisión de esta tecnología se encuentra restringida por el tamaño de pixel, ya que mediciones a mayor altura de vuelo incurrirían en errores también más altos. A la hora de realizar estudios en áreas extensas y dado que los vehículos aéreos no tripulados poseen autonomías de vuelo limitadas, el aumento en el tamaño del pixel acarrearía un aumento en los errores, lo que invita a pensar que esta tecnología en su estado actual estaría limitada al uso en pequeñas extensiones. La precisión tanto en X, Y y Z alcanzados en este experimento se deben en gran medida gracias al control horizontal y vertical colocado desde el inicio. Como menciona el manual del software de Metashape (Agisoft, 2019), la precisión depende de la calidad de las mediciones de los puntos de control, y de los métodos de levantamiento de dichos puntos. En este caso se realizaron mediciones estáticas que permitieron corregir la posición horizontal y así alcanzar una altura orto métrica de excelente precisión que posteriormente reflejó los bajos errores alcanzados luego del pos proceso de las 16 nubes de puntos. Otra discusión importante tiene que ver con el método para cálculo de volúmenes, ya que calcular volúmenes ha sido difundido extensamente en el campo se los SIG y ha sido
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implementado para calcularlos en base a superficies expresadas en archivos raster. Esto hace tentador cambiar la naturaleza de los datos para acoplarse a determinados softwares, lo cual no se recomendaría en caso de trabajar al nivel de detalle cuando se necesite apreciar pequeñas diferencias como lo afirma Clapuyt et al. (2016) mencionando que el uso de las nubes de puntos es mayormente recomendado para el cálculo o comparaciones volumétricas como se realizó en este estudio. En otro aspecto esta investigación fue limitada por los tiempos establecido ya que los procesos de formación de suelo si bien conllevan años incluso milenios, esta investigación fue un ejemplo para demostrar que el comportamiento del suelo puede ser estudiado mediante la fotogrametría. Finalmente es necesario mencionar que este experimento realizó el proceso completo de construcción de terrazas agrícolas y si bien la literatura menciona que las terrazas agrícolas desde tiempos ancestrales son una forma de conservar el suelo, actualmente esta técnica es muy poco usada por la cantidad de trabajo y mano de obra que se necesita, situación que perjudica a la agricultura.
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CAPÍTULO 5.
CONCLUSIONES
La investigación realizada ha permitido evidenciar que la aplicación de técnicas convencionales para el cuidado del suelo (terrazas agrícolas), conjuntamente con el uso de nuevas tecnologías (fotogrametría digital), facilita una visión adicional a nuevos niveles de detalle topográfico para el estudio del comportamiento de partículas de suelo y su desplazamiento.
Figura 37: Comparación de las medias de tratamientos entre volúmenes calculados en metros cúbicos para valores positivos, negativos y generales, ordenados según combinaciones de tratamientos
Gracias al método de cálculo volumétrico a través de las nubes de puntos, se pudo cuantificar valores de depósito y erosión de partículas de suelo, permitiendo tabular los datos donde todas las comparaciones presentan acumulación de partículas de suelo y todas las comparaciones presentan perdida de partículas de suelo, con la diferencia en la magnitud de las mismas para cada combinación, donde sobresale el hecho que se reporta mayor erosión donde está presente el arado de vertedera. Por otro lado la combinación del Arado de Disco/Construcción de Terraza (C_v/D_v) presenta similares valores positivos y negativos por lo que el balance general ligeramente es positivo, y finalmente la combinación Construcción de Terraza/Periodo de Estabilización(D_v/E_v), presenta el mayor balance positivo, indicando acumulación de suelo (Figura 37). Queda evidenciado la calidad de detalle de los datos que se pueden obtener mediante fotogrametría digital, permitiendo optar por estas nuevas tecnologías en vez de campañas de mediciones topográficas convencionales con estación total o GPS/GNSS RTK individualmente.
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Este método propuesto resuelve de manera práctica el análisis del comportamiento de las partículas de suelo durante la construcción y formación de terrazas agrícolas, a través del uso de fotogrametría con técnicas de reconstrucción de nubes de puntos structure for motion (SfM). La aplicación de esta metodología sobre un área piloto permitió determinar, en el transcurso de la formación y construcción de una terraza 4 momentos principales, denominados campañas de campo: •
la primera luego de la intervención de la maquinaria agrícola con arado de vertedera,
•
la segunda luego de la intervención del arado de discos
•
la tercera luego de la construcción de las terrazas
•
y una cuarta luego de que las terrazas fueron dejadas en reposo por 3 meses.
Estos momentos fueron la base para realizar las comparaciones volumétricas y evidenciar la detección de cambios en los detalles topográficos. Este experimento también deja demostrado que es factible monitorear cambios en el suelo que puede sufrir por diferentes intervenciones naturales y antrópicas, mediante la cuantificación de sus volúmenes y el rastreo por detección de cambios todo esto a través de un software de código abierto CloudCompare, el cual se encuentra en constante actualización. En el mismo sentido, la forma de comparar la información fue exclusivamente a través de nubes de puntos, ya que, a diferencia de aplicaciones tradicionales que proponen transformaciones mediante interpolaciones a modelos raster, el manejo de las nubes de puntos permite aprovechar al máximo la precisión alcanzada por las técnicas SfM sin perder el detalle topográfico de un área de estudio. Por otro lado, el nivel de detalle alcanzado por la tecnología SfM en este estudio se atribuye a parámetros de la programación del vuelo en específico la altura de toma de datos, pudiendo esta precisión cambiar en caso de que se levante datos a mayor altura. Por tal razón se espera continuar realizando investigaciones en esta área a fin de determinar hasta qué punto siguen siendo factible el uso de esta tecnología. Como resultado de la experiencia en campo se sugiere a otros investigadores considerar el área de estudio a ser utilizada ya que el proceso más fuerte en esta investigación consistió en partir desde cero con la construcción de las terrazas y su conclusión con la estabilización de las mismas, es decir que si se quiere continuar estudiando el movimiento de la partícula de suelo sería necesario proponer más investigaciones complementarias.
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Con todo lo mencionado anteriormente no cabe duda en dar una respuesta afirmativa para la pregunta de investigación y finalmente aceptar la hipótesis planteada en este experimento donde la fotogrametría y los procesos de reconstrucción de nubes de puntos, permiten cuantificar volúmenes de suelo para estudiar el comportamiento de cada proceso que se intervenga como por ejemplo al construir terrazas agrícolas. .
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CAPÍTULO 6.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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