Una IA que monitorea ecosistemas de suelo y agua

Por Germán Corcho Tróchez

Un sistema de monitoreo ambiental basado en inteligencia artificial tiene la capacidad de analizar y predecir variables fisicoquímicas en suelos agrícolas y cuerpos de agua. La invención es parte de un proyecto enfocado en aprovechar los ecosistemas marino-costeros como una alternativa para aumentar la tolerancia a la sequía y la salinidad del suelo en las plantas de interés agrícola y los bosques de manglar*. Y más importante aún: busca facilitar la toma de decisiones en procesos de restauración ecológica y manejo de cultivos.

“Recopila variables como temperatura, pH, conductividad eléctrica, fósforo, carbono y potasio, y permite predecir el comportamiento de cada una a corto plazo”, explica el ingeniero Steffen Cantillo Molina, del equipo de desarrolladores de AudacIA, centro de desarrollo tecnológico e innovación en inteligencia artificial y robótica de la Universidad Simón Bolívar. “La herramienta puede ajustar parámetros y observar proyecciones que ayuden a tomar decisiones”, añade.

Diseñada para recolectar datos a través de sensores especializados, procesarlos mediante modelos predictivos y visualizarlos en una plataforma digital accesible, la herramienta ha sido probada en varios puntos del Caribe colombiano, incluyendo la Ciénaga de Mallorquín, en Barranquilla, donde se evalúa la dinámica de intercambio entre agua dulce y salada, y en parcelas experimentales con cultivos de maíz, ají y tomate.

La información es recogida con sensores que se instalan en tierra o en agua, dependiendo del entorno, y envían la información a través de un datalogger conectado a un módem de transmisión. El sistema genera predicciones hasta de 50 registros hacia el futuro, con posibilidad de ajustar ese valor según el caso de uso.

Los sensores utilizados en tierra miden variables como temperatura del suelo, humedad, conductividad, nitrógeno, fósforo y potasio. Se instalan a una profundidad aproximada de 20 centímetros, en las raíces de las plantas, y se conectan mediante un cable a gabinetes protegidos, los cuales contienen el sistema de recolección y transmisión de datos, alimentado por paneles solares con respaldo de batería.

En el caso de los cuerpos de agua, los sensores miden variables como temperatura, nivel, pH y conductividad eléctrica. Este último parámetro permite inferir la presencia relativa de agua dulce o salada en ecosistemas como el manglar, cuya supervivencia depende del equilibrio entre ambas. “Cuando ese equilibrio se rompe, el ecosistema empieza a degradarse”, comenta Jheifer Páez Almentero, otro de los especialistas de AudacIA.

El sistema fue diseñado para operar de manera autónoma. En zonas con suficiente radiación solar puede utilizar energía fotovoltaica y en otros puntos emplea conexión a una red eléctrica. Los componentes electrónicos están protegidos contra la corrosión y los golpes, y los sensores fueron seleccionados por su resistencia a condiciones ambientales exigentes. Uno de los criterios fue que la calibración de los sensores no requiriera intervención frecuente, con rangos de ajuste que pueden ir de seis meses hasta cinco años, dependiendo del componente.

Modelo de predicción
Un elemento central es el modelo de predicción, entrenado con datos recolectados durante varias semanas para identificar relaciones entre variables. Por ejemplo, cómo la humedad y la temperatura afectan la disponibilidad de nutrientes en el suelo. El modelo genera visualizaciones gráficas y tablas informativas que pueden exportarse desde una plataforma digital en la que los usuarios cargan archivos con bases de datos para su procesamiento automático. Además, puede generar reportes personalizados y descargar resultados. También contempla la posibilidad de integrar recomendaciones en versiones futuras, según los requerimientos de los expertos en agroecología y restauración.

“Los datos recolectados no solo permiten hacer seguimiento, sino también establecer comparaciones entre distintos tratamientos en campo”, detalla Páez. En los ensayos con cultivos se instalaron sensores en parcelas sometidas a tres tipos de tratamiento: agua más bacterias encapsuladas en microesferas, solo agua y sin tratamiento. La combinación de datos físicos y de crecimiento vegetal permite evaluar la efectividad de cada intervención.

En la Ciénaga de Mallorquín se instalaron tres puntos de monitoreo para estudiar el comportamiento del agua y su impacto en los manglares. Además, se realizaron instalaciones similares en zonas como el Pital de Megua, Santa Lucía, y las universidades del Magdalena y de Valledupar. El sistema ha permitido identificar patrones de salinidad que afectan directamente a estos ecosistemas costeros.

En cuanto al almacenamiento y procesamiento de datos, el sistema fue diseñado para ser accesible y funcional. “Hay soluciones especializadas que pueden costar cientos de miles de dólares, pero esta herramienta fue desarrollada para ser utilizada por equipos técnicos en campo, con un presupuesto ajustado y sin perder capacidad operativa”, afirma Cantillo. El equipo estima que una versión funcional del sistema podría operar con una inversión cercana a los US$500, dependiendo de las especificaciones.

Uno de los retos del proyecto fue garantizar la transmisión efectiva de los datos. Para ello, se incorporaron mecanismos de verificación que permiten confirmar si la información fue enviada correctamente. También se diseñaron sistemas de protección contra actos vandálicos y condiciones climáticas extremas, con gabinetes elevados y materiales resistentes.

El sistema continúa en fase de expansión. Sus creadores trabajan en incorporar nuevas funcionalidades y ampliar la cobertura geográfica. Entre las posibilidades se contempla incorporar modelos de recomendación automatizada que ofrezcan sugerencias de manejo en función de los datos recolectados. “La meta es que la herramienta pueda ser utilizada en distintos contextos, desde el monitoreo agrícola hasta la gestión de ecosistemas frágiles”, concluye Reynaldo Villarreal González, director de AudacIA.

*El proyecto recibió $12.600 millones del Sistema General de Regalías, con la convocatoria 24 de 2022 del Minciencias. Es coliderado desde Adaptia, centro de investigación e innovación en cambio climático y biodiversidad de Unisimón.