Fenología a partir de series de índices

Perfil temporal de un índice de vegetación

Un índice de vegetación calculado en fechas sucesivas sobre un mismo lote forma una serie de tiempo que refleja los cambios de cobertura y de verdor del cultivo. En un cultivo anual, con un solo ciclo de siembra a cosecha, la serie describe una curva característica. El índice permanece bajo mientras el suelo está desnudo o recién sembrado, aumenta a medida que se desarrolla el follaje, alcanza un máximo y desciende durante la maduración y la senescencia, cuando las hojas pierden clorofila.

El instrumento registra la cantidad y el verdor del follaje, de modo que las etapas se infieren a partir de la forma de la curva y de su correspondencia con observaciones de campo. Los eventos que no cambian de forma apreciable el dosel, como la floración en muchas especies, no aparecen como una señal propia. El estudio del ciclo de la vegetación mediante estas series se conoce como fenología de la superficie terrestre (land surface phenology), y sus resultados se interpretan como un indicio del ciclo del cultivo.

Métricas de la curva

De la curva se extraen valores que resumen el ciclo. El inicio de la estación es la fecha en que el índice comienza a aumentar de forma sostenida; se define con un umbral relativo a la amplitud de la curva, con el punto de máxima pendiente (la inflexión, en un ajuste logístico) o con los máximos de la tasa de cambio de la curvatura, según el método, y en términos agronómicos suele asociarse con la emergencia o con el rebrote del follaje. El pico es el valor máximo del índice y la fecha en que se alcanza; en muchos cultivos anuales está próximo al momento de mayor área foliar, que se ubica en torno a la floración, aunque la relación varía con la especie. La senescencia es el período en que el índice desciende de manera sostenida, asociado a la maduración y al secado del follaje. El fin de la estación es la fecha en que el índice vuelve a un umbral bajo, y la duración es la diferencia entre esa fecha y la del inicio. La integral, por último, es el área bajo la curva durante la estación y se emplea como indicador del follaje activo acumulado.

Cada una de estas métricas depende del método con que se defina, de modo que solo son comparables las calculadas con el mismo procedimiento. Su interpretación mejora cuando se contrasta con fechas observadas en el lote, lo que se trata en la lección sobre registro fenológico en campo.

Nubes, huecos y suavizado

Las series de sensores ópticos presentan huecos en las fechas con nubes, y las nubes finas o las sombras no detectadas rebajan el valor del índice sin eliminarlo del todo. La lección sobre nubes, sombras y calidad del dato describe cómo se enmascaran estos píxeles y por qué un hueco de datos no equivale a un valor bajo.

Para extraer métricas estables se aplica un suavizado a la serie. Entre las técnicas habituales están la composición por el valor máximo en ventanas de pocos días, el filtro de Savitzky y Golay (1964), que ajusta polinomios locales, y el ajuste de funciones logísticas a la subida y a la bajada de la curva. Como la contaminación por nubes reduce el índice y casi nunca lo aumenta, los métodos más usados tratan los valores bajos aislados como sospechosos y se apoyan más en los altos.

El suavizado introduce errores propios. Interpolar sobre huecos prolongados, por ejemplo, genera valores que ninguna observación respalda, y un filtro demasiado fuerte desplaza o aplana el pico. Un hueco que coincide con la fecha del máximo o con el inicio de la subida compromete la métrica correspondiente, y conviene registrar la distancia entre las observaciones válidas más cercanas.

Perfil temporal de un índice de vegetación a lo largo de un ciclo de cultivo anual. Primero se muestran los puntos de cada fecha, con huecos donde las nubes impidieron observar. Después se ajusta una curva suavizada, discontinua sobre los huecos, y se marcan el inicio del ciclo, el máximo y el comienzo de la senescencia. En el último paso, un cultivo perenne de producción continua produce una curva casi plana, porque el lote mezcla plantas en etapas distintas. Los datos son ilustrativos.

Cultivos anuales y perennes

En un cultivo anual todas las plantas de un lote se encuentran, con poca diferencia, en la misma etapa. Si el lote se siembra en una fecha única, la señal es una curva con forma de campana y las métricas tienen significado fenológico directo. Los lotes sembrados en fechas distintas muestran curvas desplazadas en el tiempo, y en regiones con dos siembras al año una misma serie contiene dos ciclos sucesivos, cada uno con sus propias métricas.

En los cultivos perennes o de producción continua, como el banano, la palma de aceite o el café, un lote contiene plantas, hijos o ramas en etapas diferentes, de modo que la señal es una mezcla de todas ellas. El dosel permanece cerrado la mayor parte del año y las variaciones de la señal obedecen sobre todo al régimen de lluvias, a labores como la poda o el deshoje y a episodios de estrés. La curva resultante se aplana alrededor de un valor alto, sin la subida y la bajada que caracterizan al ciclo anual, y las métricas de inicio y fin pierden el significado que tienen en un cultivo anual.

Cuando se usan imágenes de resolución espacial gruesa, el píxel mixto añade una segunda mezcla, porque un mismo píxel puede incluir lotes con calendarios distintos o cultivos diferentes. La curva de ese píxel no representa ningún lote en particular.

Efecto de la saturación

La saturación del NDVI, descrita en la lección sobre el NDVI, afecta la forma de la curva allí donde el dosel se cierra. Cuando el área foliar supera cierto valor, el índice deja de aumentar aunque el cultivo siga desarrollando follaje, y el pico se convierte en una meseta de valores casi iguales. La fecha del máximo resulta entonces poco precisa, porque pequeñas diferencias de ruido o de iluminación bastan para cambiarla de una semana a otra.

Las métricas basadas en la parte ascendente, como el inicio de la estación, son menos sensibles a este efecto que las del pico. En los doseles densos se recurre además a índices que saturan más tarde, como los construidos con la banda del borde rojo, o se comparan los valores del cultivo con su propia historia en lugar de interpretar la curva como una medida absoluta del follaje.