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Detección de la deriva mediante sensores lidar

Medida de la deriva

Existen diferentes técnicas utilizadas para medir la deriva de pesticidas en el aire, como son los análisis químicos, el uso de trazadores y los sistemas láser LIDAR (LIght Detection And Ranging); este último es en el que se centra esta línea de investigación. Los análisis químicos se basan en la extracción y análisis de los pesticidas presentes en el aire mediante técnicas cromatográficas. Los trazadores son substancias que permiten simular el transporte de los pesticidas en el aire, siendo los más utilizados los tintes visibles o fluorescentes, las sales metálicas y los isótopos radiactivos.

 

El estudio de la deriva se realiza normalmente mediante experimentos de campo basados en la utilización de colectores puntuales situados cerca del lugar donde se está tratando, que interceptan la pluma de aerosoles generada (ver Figura 1). Las principales limitaciones que presenta este método son (Gregorio, E., 2012):

  • No proporciona información acerca de la evolución temporal de la nube de pesticidas.
  • Los colectores únicamente ofrecen información de un punto concreto.
  • La información en 2 (superficie) o 3 dimensiones (volumen) no es posible.
  • La eficiencia de los colectores está muy ligada a las condiciones meteorológicas y se requieren recursos de personal y de tiempo significativos para llevar a cabo los ensayos.

 

 

Figura 1. Medida de la deriva de pesticidas, extraída de Gregorio (2012). Se muestran cuatro mástiles: uno de ellos sustenta un anemómetro, mientras que los otros tres sujetan tres hilos de nylon (2 mm de diámetro). También se pueden observar diversos colectores horizontales (hojas de papel de filtro) colocadas sobre el terreno para medir la deriva terrestre.

 

La aplicación de técnicas de teledetección LIDAR para medir la deriva en el aire permite superar las anteriores limitaciones.

 

Sistemas LIDAR

Un sistema LIDAR es un instrumento de teledetección similar a un radar, con la salvedad que emite luz (láser) en lugar de ondas de radio. El funcionamiento de un LIDAR consiste en la emisión de un haz láser hacia un blanco (en esta aplicación, el blanco está constituido por una nube de deriva procedente del pulverizador) que retrodispersa parcialmente esta luz (es decir, vuelve hacia el receptor). Los fotones que llegan al receptor son recogidos con un telescopio y un sistema fotodetector y se registran como una función del tiempo (Figura 2). Conocida la velocidad de la luz (~ 3x108m/s), podemos calcular la distancia que han viajado los fotones en la ida y en la vuelta (tiempo de vuelo). La interacción entre el haz láser emitido (generalmente pulsado) y los aerosoles y moléculas atmosféricas está sujeta a las leyes de dispersión o scattering (Rayleigh, Mie y Raman, principalmente) y de absorción, de forma que esta interacción se manifiesta en una extinción o pérdida exponencial de energía a medida que el haz láser se propaga por la atmósfera.

 

Figura 2. Esquema del LIDAR del GRAP (Gregorio et al., 2011).

 

Las aplicaciones de los sistemas LIDAR son enormes, entre las cuales se incluyen la medida de la densidad de aerosoles, velocidad y dirección del viento, concentración de especies químicas, perfiles de temperatura y estudios de ceilometría (altura y espesor de las nubes). En el campo medioambiental, los sistemas LIDAR permiten detectar y monitorizar la dispersión de los aerosoles y otros contaminantes.

 

Medida de la deriva de pesticidas con sistemas LIDAR

A lo largo de los últimos años, diferentes estudios han utilizado sistemas LIDAR para medir la deriva. En la Universitat de Lleida (UdL), el año 2009, se llevó a cabo una campaña experimental en la que se realizaron diferentes ensayos de pulverización terrestre. Para la medida de la deriva se utilizaron simultáneamente un sistema LIDAR UV (ultravioleta) y dos tipos de colectores pasivos (hilos de nylon y papel hidrosensible) análogos a los utilizados en ensayos convencionales (Gregorio, E., 2012). Con este trabajo se concluyó que el LIDAR es una técnica adecuada para la medida de la deriva de pesticidas, ya que se pudieron relacionar sus medidas con las obtenidas por los colectores (Gregorio et al., 2014).

Como continuación de los anteriores trabajos, el Grupo de Investigación en AgróTICa y Agricultura de Precisión ha desarrollado un sistema LIDAR para la detección y medida de la deriva atmosférica de productos fitosanitarios y otros tipos de aerosoles, mostrado en la Figura 3. El instrumento consta de un subsistema emisor (láser) y de un subsistema receptor (telescopio + módulo fotodetector) que permite la captación de una fracción de la luz que vuelve al detector después de impactar con el blanco que se desea detectar y caracterizar (en este caso, la nube de deriva atmosférica producida por un pulverizador agrícola, polvo, humo, etc). El apuntamiento del LIDAR se realiza mediante un sistema electromecánico con dos grados de libertad: en azimut y elevación. El resultado de la luz capturada por el modulo fotodetector son impulsos de tensión que son registrados y procesados mediante sistema electrónico de adquisición de elevadas prestaciones.

 

Figura 3. Imagen del prototipo LIDAR mostrando los subsistemas emisor y receptor (Gregorio et al., 2015).

 

 

Algunas de las características del sistema LIDAR desarrollado por el GRAP se recogen en la siguiente tabla:

 

Tabla 1. Tabla de características del LIDAR desarrollado por el GRAP (Gregorio et al., 2015).

 

 

En la Figura 4 se muestra el sistema LIDAR desarrollado realizando medidas de deriva de pulverización terrestre en una plantación de viña.

 

Figura 4. Sistema Lidar en campo durante una medida de deriva de la pulverización (Gregorio et al., 2015).

 

Referencias.

  • Gregorio, E., 2012. Lidar remote sensing of pesticide spray drift. Tesi Doctoral. Departament d’Enginyeria Agroforestal. Universitat de Lleida.
  • Gregorio, E., Solanelles, F., Rocadenbosch, F., Rosell, J.R., Sanz, R. 2011. Airborne spray drift measurement using passive collectors and lidar Systems.
    SPIE. Praga (República Txeca). Proc. SPIE 8174, 81741I. DOI: 10.1117/12.903723.
  • Gregorio E; Rosell-Polo JR; Sanz R; Rocadenbosch F; Solanelles F; Garcerá C; Chueca P; Arnó J; del Moral I; Masip J; Camp F; Viana R; Escolà A; Gràcia F; Planas S; Moltó E. (2014). LIDAR as an alternative to passive collectors to measure pesticide spray drift. Atmospheric Environment 82: 83-93. DOI: 10.1016/j.atmosenv.2013.09.028.
  • Gregorio E; Rocadenbosch F; Sanz R; Rosell-Polo JR. 2015. Eye-Safe Lidar System for Pesticide Spray Drift Measurement. Sensors 15(2): 3650-3670. DOI: 10.3390/s150203650.
  • Subias, M. 2014. Configuració i programació d’un sistema d’adquisició de dades per a un radar làser (LiDAR). Projecte Final de Carrera. Universitat de Lleida. Bona part de la informació d’aquesta secció s’ha extret d’aquesta referència.

 

 

 

 

 

 

Última modificación: 13/05/2015
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