Ilka Hernández y Patricia DiMassimo
Estudiantes Escuela de Ingeniería en Eléctrica, Campus Santiago
PUCMM
El arroz en República Dominicana
El cultivo del arroz es una actividad agrícola fundamental en muchos países del mundo, especialmente en República Dominicana, donde se consume en grandes cantidades y se cultiva extensamente. Sin embargo, la presencia de enfermedades y condiciones de estrés puede afectar significativamente la producción y calidad de los cultivos de arroz, lo que a su vez afecta la economía y la seguridad alimentaria las regiones donde se distribuye este producto. Por lo que, la detección temprana de estas enfermedades y condiciones de estrés es un desafío para los agricultores, ya que a menudo son difíciles de detectar a simple vista.
Para abordar este problema, se propone la implementación de un sistema de procesamiento de mapas multiespectrales e imágenes para la detección temprana de enfermedades y condiciones de estrés en cultivos de arroz.
En esta entrada de este blog de innovación se presentará la implementación de un sistema para la detección temprana de enfermedades en cultivos de arroz. El sistema desarrollado combina técnicas de visión computacional y aprendizaje de máquinas. Fue desarrollado un esquema de fusión de datos para la creación de modelos de naturaleza heterogénea.
La Digitalización en la Agricultura
La creciente intersección entre la tecnología y la agricultura ha revolucionado la manera en que se aborda los desafíos agrícolas en la actualidad. Uno de los avances más notables ha sido la aplicación de la inteligencia artificial (IA) en este campo. La capacidad de procesar grandes volúmenes de datos y extraer patrones significativos ha permitido optimizar la producción y la toma de decisiones agrícolas. La integración de sensores avanzados y microcontroladores como el ESP32, ha facilitado la recolección y el análisis de información crítica para el diagnóstico y prevención de enfermedades en cultivos, como el arroz. Esta revisión se enfoca en la evaluación de cómo la tecnología, especialmente la inteligencia artificial, ha impactado en la agricultura, con énfasis en la aplicación de sensores multiespectrales y microcontroladores en el reconocimiento temprano de enfermedades en hojas de arroz.
La combinación de tecnologías de medición multiespectral e inteligencia artificial ha dado lugar a soluciones novedosas en la detección de adulteración en productos agrícolas. Un ejemplo destacado es el desarrollo de un espectrómetro portátil que utiliza este sensor para evaluar la pureza del azúcar de coco y detectar la adulteración con azúcar de caña. La implementación de redes neuronales permitió una clasificación precisa de muestras adulteradas y puras, con una tasa de éxito del 100% en casos de azúcar de coco y un promedio superior al 90% para estimar la intensidad de la adulteración.
Diversos proyectos relacionados han abordado problemáticas similares en la detección y diagnóstico de enfermedades en cultivos, lo que amplía la comprensión de las aplicaciones y desafíos de la tecnología. Por ejemplo, un estudio se centró en la detección de malezas y la estimación de la salud de las vides utilizando el NDVI en combinación con el sensor multiespectral. Aunque enfrentaron desafíos de calibración y sesgos, estos proyectos reflejan la creciente importancia de las herramientas tecnológicas en la agricultura de precisión y subrayan la necesidad de investigación continua para superar obstáculos técnicos.
Solución Propuesta
La implementación del presente proyecto tiene como objetivo mejorar la producción de arroz al reducir los efectos negativos de las enfermedades y condiciones de estrés en los cultivos. En cuanto a la composición, las imágenes multiespectrales se obtendrían mediante la utilización del sensor multiespectral seleccionado que puede capturar la luz en diferentes longitudes de onda. Las mediciones multiespectrales capturadas por este sensor proporcionaron información detallada sobre el estado de salud de los cultivos de arroz.
Además, se utilizaron técnicas de procesamiento de imágenes para mejorar la calidad y precisión de los datos obtenidos de las mediciones multiespectrales. Estas técnicas incluyen la corrección de distorsiones en las imágenes, la eliminación de ruido y la normalización de los datos para garantizar una representación precisa de la salud de los cultivos. Este sistema combina la ciencia de la agricultura con la tecnología de la información y el aprendizaje automático, para proporcionar una solución integral y efectiva para la detección temprana de enfermedades y condiciones de estrés en los cultivos de arroz.
Para la creación del sistema físico, se utilizó la herramienta de CAD SolidWorks para diseñar dos cajas negras. Ambas cajas tienen las mismas dimensiones, pero con propósitos diferentes. La caja mostrada en la siguiente está diseñada para trabajar con el sensor multiespectral seleccionado y dos arreglos de LEDs. Su función es proporcionar un espectro de emisión que abarca un rango desde los 400 nm (ultravioleta) hasta los 750 nm (infrarrojo cercano). El objetivo de este diseño es captar el espectro reflejado por las hojas de arroz y utilizar esta información para determinar ciertas condiciones relacionadas con los niveles de hidratación de las hojas.
Se empleó un microcontrolador ESP32 para gestionar la activación y desactivación de los LEDs que emiten diversas frecuencias espectrales y que son dirigidos a las hojas de arroz. El ESP32 es una opción ligera pero altamente confiable para esta tarea. Con este microcontrolador, se estableció una comunicación con el sensor multiespectral utilizando el protocolo I2C. En la siguiente figura se muestra una imagen con la configuración de entrada y salida del microcontrolador elegido.
En la carcasa diseñada fueron acomodadas tanto la cámara como el sensor multiespectral seleccionado, permitiendo las capturas de hojas individuales de arroz para su caracterización. Se seleccionó el color negro para evitar el efecto de la reflexión y se colocaron LEDs específicos para las distintas frecuencias del espectro electromagnético que se deseaban caracterizar. En la siguiente imagen podemos ver un ejemplo de una imagen capturada.
Se analizó cada hoja en términos de valores de reflectancia y absorción en cada una de las 18 bandas del sensor (410nm, 435nm, 460nm, 485nm, 510nm, 535nm, 560nm, 585nm, 610nm, 645nm, 680nm, 705nm, 730nm, 760nm, 810nm, 860nm, 900nm, 940nm). Para lograrlo fue colocado un arreglo de 6 LEDs capaces de proporcionar las longitudes de onda mostradas con dirección a la hoja. En la siguiente figura se observa la respuesta capturada a partir del sensor multiespectral.
Metodología para el entrenamiento de los algoritmos de aprendizaje de máquina
A partir de estas imágenes se procedió a entrenar un modelo de clasificación basado en las redes neuronales convolucionales. AlexNet es un modelo de red neuronal convolucional considerado uno de los modelos más influyentes en el campo del aprendizaje profundo y fue uno de los primeros en demostrar un rendimiento notable en la tarea de clasificación de imágenes a gran escala. Las técnicas de aprendizaje por transferencia han permitido aprovechar las arquitecturas de estas redes neuronales convolucionales y adaptarla a una diversidad de aplicaciones. En nuestro caso, a la clasificación de enfermedades en hojas de arroz. Debajo se muestra la estructura de la red AlexNet entrenada usando el ambiente Matlab.
Resultados Obtenidos
La estrategia de procesamiento de imágenes en el dominio espacial para identificar manchas en hojas de arroz ha arrojado resultados sumamente prometedores. La elección de la técnica de segmentación basada en el color, combinada con operaciones de preprocesamiento como la conversión a escala de grises y la aplicación de operaciones de apertura, ha demostrado su capacidad para resaltar de manera excepcional las áreas de interés, es decir, las manchas en las hojas. La aplicación consecutiva del método de Otsu y su transformación inversa ha afinado aún más la precisión de la segmentación, contribuyendo a una separación nítida entre las manchas y el fondo de las hojas. Este enfoque en el dominio espacial ha culminado en una detección de enfermedades en las hojas de arroz más confiable y definida, al mismo tiempo que ha minimizado cualquier distorsión o ruido no deseado en las imágenes. La inherente flexibilidad de esta metodología ha permitido ajustar los parámetros de segmentación en función de las variaciones en las características de las manchas y los requisitos específicos del proyecto. En la figura siguiente se muestran los resultados del procesamiento utilizado.
A continuación se muestran los resultados del mejor modelo obtenido. Es importante recalcar que se utilizó una estrategia de entrenamiento cruzado, para evitar introducir sesgo al modelo planteado. La precisión promedio para todas las clases fue del 91.44%.
En el caso del sensor multiespectral, fue elegido un modelo basado en árboles aleatorios, donde se observa una capacidad importante del modelo de distinguir de las tres clases asignadas para la clasificación multiespectral. En la siguiente figura se muestra la matriz de confusión del modelo.
El desempeño obtenido por la estación de inspección mostró su viabilidad para cumplir los objetivos planteados para el presente proyecto, ofreciendo la posibilidad de implementar estrategias similares en distintos tipos de cultivos, y adicionalmente, la importancia que puede presentar la aplicación de técnicas de aprendizaje de máquina en la implementación de la agricultura de precisión.
Conclusiones
La elección de modelos y estrategias de entrenamiento es crucial para la clasificación de imágenes RGB y datos multiespectrales para aplicaciones de agricultura de precisión. La adaptabilidad del sistema desarrollado y su capacidad para detectar patrones anómalos pueden ser una herramienta de importancia en optimizar los procesos de gestión de cultivos.
Referencias
P. Smith, «How to measure, report and verify soil carbon change to realise the potential of soil carbon sequestration for atmospheric greenhouse gas removal,» INSTITUTE FOR CARBON REMOVAL LAW AND POLICY, USA, 2019.
A. S. Susanto B. Sulistyo, «Design and performance test of portable spectrometer using AS7265x multispectral sensor for detection of adulterated cane sugar in granulated coconut sugar,» AIP Conference Proceedings, USA, 2023.
M. J.-L. F. R. J.-L. Andrés Fernando Jiménez-López, «Multispectral analysis of vegetation for remote sensing applications,» Iteckne, Colombia, 2015.
