El ojo hiperespectral de la ciencia

Imagine una manzana. Si le toma una foto con una cámara convencional podrá apreciar la intensidad de su color, su brillo tal vez y poco más. Pero si usa una cámara dotada con tecnología hiperespectral, la imagen le permitirá saber si la fruta está madura, si hay hongos internamente o si tiene rastros de pesticidas, entre otras decenas de datos. Todo ello, sin necesidad de cortar la manzana de la planta.

Las cámaras convencionales captan imágenes con tres bandas del espectro de luz visible (rojo, verde y azul) y el resultado son capturas tal como las apreciamos a simple vista. Mientras que una cámara hiperespectral proporciona fotografías con muchas más bandas del espectro de luz, cientos de bandas, permitiendo identificar materiales, sustancias, condiciones o procesos invisibles al ojo humano.

Por tanto, una imagen hiperespectral es una mina de información que abre todo un abanico de posibilidades para la investigación científica, destaca el Dr. Fernando Arias, docente e investigador de la Universidad Tecnológica de Panamá (UTP) e integrante del Grupo de Investigación en Tecnologías Avanzadas de Telecomunicación y Procesamiento de Señales (GITTS) de la UTP, desde donde se viene desarrollando una línea de investigación científica que explora las múltiples aplicaciones de la tecnología hiperespectral en campos como la agricultura (estimación remota de la calidad de cultivos), medio ambiente (detección remota de florecimientos de algas en las costas) y en el sector logístico (detección remota de corrosión e imperfecciones en barcos y estructuras metálicas como puentes o torres).

El primer proyecto del GITTS que empleó fotografías hiperespectrales se realizó entre 2020 y 2022, y consistió en la recolección de datos directamente de las hojas de plantaciones de arroz para establecer un modelo de estimación de los niveles de nitrógeno en los cultivos y, en consecuencia, determinar sus niveles de producción.

Para este proyecto los investigadores desarrollaron algoritmos que luego de procesar la información de las imágenes hiperespectrales, permitieron identificar las plantas de arroz en mejor estado; de esta forma fue posible saber específicamente las plantas que requerían abono en lugar de abonar toda la plantación, optimizando el uso de fertilizantes y mejorando los rendimientos, explica el Dr. Arias.

La siguiente área explorada fue la industria marítima de Panamá con el desarrollo entre 2021 y 2023 de una plataforma de inspección rápida de buques marinos basada en técnicas de sensores remotos e inteligencia artificial. Los métodos tradicionales de inspección de barcos son costosos, extensos (varias semanas o meses) y presentan riesgos de seguridad ocupacional para los inspectores. En cambio, la plataforma ideada por los investigadores del GITTS identifica de forma rápida y automatizada las imperfecciones y daños por corrosión en el casco y en los elementos estructurales de los buques, utilizando técnicas de sensores remotos e imágenes hiperespectrales analizadas por los algoritmos e inteligencia artificial para agilizar los procesos e identificar los puntos de interés.

Esta propuesta representa una oportunidad grande, destaca el investigador. Y explica: “Parar un barco, estos procesos de inspección requieren bajar la carga, la tripulación, montarlo en dique seco y someterlo a trabajos de inspección del casco. Nuestra plataforma nos permite complementar y agilizar este proceso con una especie de preinspección que identifica las áreas que se deben atender antes de que el barco entre en dique seco. Nuestro servicio es como ir a una cita médica con todos los exámenes necesarios ya en mano”, ilustra el investigador.

Otro proyecto ejecutado entre 2021 y 2023 fue el desarrollo de una plataforma tecnológica de monitoreo remoto capaz de identificar florecimientos de algas en ecosistemas costeros de Panamá, utilizando una cámara hiperespectral acoplada a un dron y un sistema de procesamiento de imágenes basado en inteligencia artificial.

Los florecimientos de algas en las regiones costeras del país afectan a la biodiversidad y provocan una serie de desbalances ambientales (al bloquear la luz del sol limitan la difusión de oxígeno en el agua e incrementan la concentración de toxinas) y también a las economías locales que dependen de la pesca y el turismo, apunta el Dr. Arias. En 2019, los florecimientos de algas fueron reconocidos por primera vez como “co-estresores del cambio climático” por el Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático) .

Y recientemente los miembros del GITTS presentaron los resultados de su más reciente proyecto basado en tecnología hiperespectral, en el que exploraron el uso de teledetección hiperespectral y la inteligencia artificial para inspeccionar la infraestructura logística del país.

“El objetivo central del proyecto era aplicar técnicas de aprendizaje automático y visión por computadora al análisis de imágenes hiperespectrales para realizar inspecciones estructurales remotas y no destructivas en infraestructuras críticas, como puentes, tanques de almacenamiento, líneas de transmisión, entre otras”, comparte el Dr. Arias, investigador principal del proyecto que amplió el campo de aplicación del sistema creado previamente para la inspección rápida de buques.

Con el empleo de esta plataforma tecnológica, prosigue Arias, es posible evaluar los grados o avance de corrosión en estructuras de metal de manera remota y no destructiva y mirar un poco más allá para determinar si es una corrosión superficial o si es más profunda, y si representa riesgo de colapso.

“Para inspeccionar el estado de una torre, por ejemplo, con nuestra plataforma no sería necesario que una persona se prepare y suba para revisar y tomar muestras de toda la estructura. Hablamos de un ahorro de tiempo importante. Dependiendo del tamaño de la estructura y su ubicación, puede ser un ahorro de horas, días, semanas o más tiempo en comparación con una inspección convencional, además de evitar potenciales accidentes o pérdidas económicas”, argumenta el Dr. Arias.

Este trabajo de investigación debe continuar estudiando variables como la influencia sobre el proceso de corrosión de diversos contaminantes presentes en el ambiente, añade el científico, miembro del Sistema Nacional de Investigación de Panamá.

Todos estos proyectos de investigación fueron desarrollados con fondos de las convocatorias públicas de fomento de I+D (investigación y desarrollo) de la Secretaría Nacional de Ciencia, Tecnología e Innovación (Senacyt) y con la gestión administrativa del Centro de Estudios Multidisciplinarios en Ciencias, Ingeniería y Tecnología (CEMCIT AIP) de la UTP.