Teledetección hiperespectral e inversión de parámetros bioquímicos a nivel de hoja y dosel.

Los ecosistemas desempeñan un papel vital en el intercambio de agua, energía y gases de efecto invernadero entre el suelo, la vegetación y la atmósfera. La capacidad de detectar cambios en procesos ecosistémicos como el secuestro de carbono, el ciclo de nutrientes, la productividad primaria neta y la descomposición de la hojarasca es fundamental para definir los ciclos biogeoquímicos globales e identificar el cambio climático. En los modelos de ecosistemas forestales, estos procesos se asocian con el contenido bioquímico del dosel, en particular con las concentraciones de nitrógeno, lignina y celulosa.

por lo tanto, Comprender los pigmentos presentes en las hojas de las plantas es un requisito previo importante para mejorar la evaluación y cuantificación de la fisiología y la vitalidad de las plantas.Dado que la estimación de la composición química del dosel mediante métodos tradicionales de muestreo de campo consume mucho tiempo y no es adecuada para estudios regionales y mundiales a gran escala, la tecnología de teledetección para la bioquímica de las hojas (nutrientes, pigmentos), como indicador de fenómenos de estrés o plagas, enfermedades de las plantas y otros desastres, ha sido durante mucho tiempo de interés para los gestores forestales y los ecólogos.

Figura 1. Detección de parámetros bioquímicos a nivel de bosque y dosel.

Tres tipos de pigmentos determinan el color de las hojas mediante la absorción selectiva de luz: clorofila (dos tipos principales en las plantas superiores, clorofila a y clorofila b), carotenoides (incluidos el β-caroteno y la xantofila) y antocianinas. El contenido y la composición de estos pigmentos están relacionados con el estado fisiológico de las hojas y existen en diferentes proporciones durante la diferenciación y la senescencia foliar. Ciertas condiciones pueden dificultar su formación, como las deficiencias de nutrientes y los efectos del estrés abiótico —contaminación atmosférica por ozono o dióxido de azufre, metales pesados, ataques virales o escasez de agua—, lo que puede provocar cambios en las propiedades ópticas de la vegetación. La concentración de clorofila indica la fotosíntesis y la tasa máxima potencial de asimilación de dióxido de carbono. Los carotenoides ayudan a captar la luz, pero también desempeñan un papel fotoprotector e indican una fotosíntesis reducida.El nitrógeno y la lignina se correlacionan con la asignación de carbono y las tasas de ciclo de nutrientes, respectivamente, a través de sus efectos en las tasas de descomposición. La concentración de clorofila también está altamente correlacionada con el nitrógeno, por lo que se ha convertido en un parámetro clave para el estudio de la cubierta vegetal.

Numerosos estudios han demostrado una correlación entre los datos obtenidos mediante espectrómetros de imagen y las propiedades bioquímicas de las hojas. Las primeras investigaciones emplearon principalmente la regresión escalonada para establecer relaciones predictivas entre los datos de teledetección de banda espectral estrecha y las variables bioquímicas de interés (por ejemplo, celulosa, clorofila, lignina, nitrógeno y almidón). Estudios posteriores propusieron técnicas alternativas, como la estimación de variables bioquímicas mediante modelos de reflectancia.

La transición del nivel de hoja al de dosel introduce fuertes efectos de interferencia, como la influencia de la estructura del dosel (índice de área foliar, distribución del ángulo de las hojas) y el fondo del suelo. En comparación con las condiciones controladas de laboratorio, los datos aéreos o espaciales se ven afectados además por factores como la variabilidad de la luz solar y las condiciones atmosféricas, así como por las características del instrumento (relación señal-ruido, ancho de banda espectral, geometría de observación). Estos factores, en conjunto, generan numerosos problemas para determinar la composición bioquímica de las hojas mediante datos de teledetección. No obstante, estudios relacionados han demostrado que las mediciones de irradiancia espectral de los doseles vegetales se correlacionan con cambios en la composición química del dosel, incluyendo las concentraciones de lignina, nitrógeno y celulosa.

Figura 2. Diagrama de dispersión que muestra la relación entre varios índices de reflectancia y el contenido total de clorofila.