Ciencia | Ecología
30 de septiembre de 2013

Modelos matemáticos para conocer. Conocer para decidir.

Ing. Rosana FERRATI, Mg. Claudia MARINELLI, Mg. Rosana CEPEDA y Dra. Graciela A. CANZIANI

Las lagunas pampeanas constituyen los ecosistemas acuáticos típicos de una vasta región ubicada al sur de la Cuenca del Plata. Miles de lagunas, algunas muy extensas y permanentes en el tiempo, otras pequeñas y transitorias, dependiendo de las condiciones hidrometeorológicas, caracterizan el paisaje pampeano y prestan servicios ecológicos invalorables y muchas veces desconocidos en la región.

Las lagunas, humedales característicos de la pampa, regulan el proceso de carga y descarga de acuíferos, controlan inundaciones, inciden en la regulación del clima regional y brindan, además, usos recreacionales de esparcimiento, caza y pesca. Forman parte de ecosistemas productivos en algunos casos altamente modificados, especialmente por la agricultura y la ganadería y otras actividades humanas. Poseen alta heterogeneidad y diversidad, que les otorgan una dinámica  que condiciona su estructura y las variables fisicoquímicas y biológicas. Se encuentran ubicadas en una región caracterizada por alternancia de períodos húmedos y secos que provocan grandes variaciones del volumen de agua que retienen y, por ende, de su salinidad.

Todas estas características hacen que las lagunas pampeanas, caracterizadas como eutróficas (1) y hasta hipereutróficas, (2) sean únicas en cuanto a la riqueza de la biota (3) que sustentan. Esa es la razón por la que hemos abordado su estudio. Cabe entonces la pregunta, “Si las lagunas forman parte del ecosistema pampeano, espacio en el que vivimos y del cual vivimos, ¿cómo conocerlas, cómo preservarlas, y cómo actuar sobre ellas?”

Primero y fundamentalmente, evitando simplificaciones. Medir correctamente es necesario para conocer, y ésto es sólo el primer paso para la toma de decisiones correctas y técnicamente fundadas.

El camino que elegimos es, por una parte, desentrañar la complejidad de estos valiosos ecosistemas mediante modelos matemáticos utilizando datos de campo y laboratorio, así como datos extraídos de imágenes satelitales y, por otra, colaborar con quienes deciden respecto del accionar sobre los recursos que ofrecen nuestros ecosistemas acuáticos.

El primer item lo trabajamos en el grupo de Ecología Matemática, en conjunto con los grupos Recursos Hídricos y Gestión de Ambientes Acuáticos Continentales del Instituto, quienes aportan los datos de campo y laboratorio para los modelos planteados. El segundo aspecto, siempre en marcha, lo compartimos con el grupo de Gestión de Ambientes Acuáticos Continentales y el grupo de Recursos Naturales, frecuentemente cercanos a los decisores locales, regionales, provinciales y/o  nacionales.

Los modelos desarrollados, utilizando Redes Neuronales Artificiales y Desmezclado Espectral, nos permiten clasificar las lagunas a partir de sus propiedades ópticas, obtenidas a través de los sensores de los satélites LandSat 5TM y 7 ETM+. A partir de los valores de radiancia de las bandas del espectro visible e infrarrojo cercano, estimamos las concentraciones de clorofila-a y sólidos totales, variables que condicionan el estado trófico (4) de los cuerpos de agua analizados.

Los satélites LandSat colectan información de la radiación que, proveniente del sol, es reflejada por la superficie terrestre y captada por sus sensores en diferentes ventanas del espectro electromagnético. Cada 16 días, el satélite pasa exactamente por el mismo lugar mostrándonos, si las condiciones de la atmósfera lo permiten, los cambios temporales acaecidos. Podemos entonces contar con ese volumen de datos, volcado en matrices donde cada elemento (llamado pixel)  nos da información de un cuadrado de superficie de 30m por 30m de la superficie terrestre en diferentes bandas del espectro y luego combinarlas de diversas maneras para obtener nuevas matrices que nos den la información que buscamos. 

Cada pixel de la imagen posee los valores de reflectancia de cada una de las 6 bandas del espectro que utilizamos, que conforma para cada uno lo que llamamos la firma espectral del pixel. Promediando los valores de cada banda en los píxeles que componen cada cuerpo de agua, se caracterizó a cada laguna con una firma espectral en cada imagen satelital obtenida, y para cada fecha en la que se obtuvo una imagen coincidente con el muestreo a campo. Luego se seleccionaron aquellas firmas que caracterizan los tipos de lagunas a las que denominamos verdes, claras y marrones en función del contenido de materia orgánica en suspensión. Finalmente se realizó un desmezclado espectral para clasificarlas y determinar su estado  trófico a lo largo del tiempo de muestreo. La herramienta desarrollada permite extrapolar los resultados obtenidos a otras lagunas y clasificarlas a partir de datos provenientes de sensores remotos, sin necesidad de mediciones in situ.

Las Redes Neuronales Artificiales son modelos computacionales que poseen una estructura compuesta por capas de unidades interconectadas entre si que emulan a las neuronas biológicas y sus conexiones sinápticas, de allí su nombre. Se plantearon diferentes estructuras, en función de las variables de entrada y la salida esperada y se ajustaron los pesos en las interconexiones a través de procesos iterativos que permitieron, bajo condiciones de control del error y valores de prueba, educar la red emulando el proceso de aprendizaje del cerebro. Una vez que las interconexiones fueron determinadas, la red es capaz de simular diferentes escenarios posibles o, a partir de datos de imágenes, clasificar las lagunas y determinar las concentraciones de clorofila-a y sólidos disueltos en cada una.

Los modelos desarrollados hasta ahora constituyen una herramienta que permite conocer el estado trófico de las lagunas y aporta información técnica al momento de tomar decisiones de manejo por parte de los municipios, clubes de pesca y productores privados de la región. Por otra parte, es muy difícil determinar las causas que ocasionan las variaciones del estado trófico de las lagunas en relación con el uso del suelo circundante, ya sea que la afectación a la laguna sea por escurrimiento superficial o por flujo subterráneo. Entonces, la posibilidad de contar con una herramienta que permita tener información temporal puede ser útil al momento de proponer legislación sobre uso del suelo y buenas prácticas agrícolas en la región pampeana. Conocer el ecosistema y su funcionamiento nos ayuda a decidir  sobre los servicios que nos brinda.

Notas:  

1. Eutrofización: proceso por el que ocurren cambios físicos, químicos y biológicos en un lago u otro cuerpo de agua superficial debido al enriquecimiento excesivo (presencia de materia orgánica y nutrientes, como fosfatos y nitratos) cuyo efecto es el crecimiento excesivo de algas y bacterias en el cuerpo de agua, con el posterior agotamiento del oxígeno disuelto y la muerte de muchos organismos aeróbicos.

2. Hipereutroficación: se dice de la eutrofización excesiva (presencia abundante de materia orgánica y nutrientes), con frecuencia causada por los desechos agroindustriales y la erosión intensiva, la que acarrea grandes cantidades de suelo y otras sustancias tóxicas hacia los cuerpos de agua.

3. Biota: todos los organismos, incluyendo animales, plantas, hongos, y los microorganismos que se encuentran en un área o región determinada.

4. Cadena Trófica: Serie o conjunto de organismos, cada uno de los cuales come o degrada al precedente, generando el proceso de transferencia de sustancias nutritivas a través de las diferentes especies de una comunidad biológica. Rara vez hay más de seis eslabones en la cadena.

© Todos los derechos reservados.

Ing. Rosana FERRATI:
Ingeniera en Recursos Hídricos, Estudiante del Doctorado en Ciencias Físicas. Jefe de Trabajos Prácticos, Departamento de Matemáticas, Facultad de Ciencias Exactas, UNICEN, Investigadora de ECOSISTEMAS, Grupo de Ecología Matemática.
Contacto: rosana [dot] m [dot] ferrati [at] gmail [dot] com
Mg. Claudia MARINELLI:
Licenciada en Ciencias Matemáticas, Magister en Matemáticas (Estadística). Profesora Adjunta, Departamento de Matemáticas, Facultad de Ciencias Exactas, UNICEN, Investigadora de ECOSISTEMAS, Grupo de Ecología Matemática.
Contacto: marinelli [dot] claudia [at] gmail [dot] com
Mg. Rosana CEPEDA:
Licenciada en Ciencias Matemáticas, Magister en Matemáticas (Estadística). Profesora Adjunta, Departamento de Matemáticas, Facultad de Ciencias Exactas, UNICEN, Investigadora de ECOSISTEMAS, Grupo de Ecología Matemática.
Contacto: rocepeda [at] gmail [dot] com
Dra. Graciela A. CANZIANI:
Diplome de Mathématicien, Doctor of Philosophy (PhD Mathematical Ecology), UTK. Profesora Titular, Departamento de Matemáticas, Facultad de Ciencias Exactas, UNICEN, Directora del Instituto Multidisciplinario sobre Ecosistemas y Desarrollo Sustentable (ECOSISTEMAS).
Contacto: canziani [at] exa [dot] unicen [dot] edu [dot] ar