DeforestAlert

💡Idea

Costa Rica es reconocida a nivel mundial por su amplia biodiversidad y sus esfuerzos en la conservación de ecosistemas. Aproximadamente el 26% del territorio nacional está constituido por parques nacionales y áreas protegidas, de acuerdo con el II Canje de Deuda por Naturaleza entre E.E.U.U y Costa Rica (2017), las cuales juegan un papel fundamental en la preservación de especies, la regulación climática y la captación de agua. A pesar de esto, la tala ilegal sigue siendo una de las principales amenazas para estos ecosistemas, afectando gravemente la biodiversidad, el equilibrio ambiental y la mitigación del cambio climático. Este problema es especialmente crítico en zonas rurales y remotas, donde la deforestación puede pasar desapercibida por largos periodos antes de que las autoridades locales tomen acción.

La herramienta DeforestAlert consiste en utilizar imágenes satelitales en conjunto con estaciones de monitoreo y vigilancia in situ, para detectar cambios en la cobertura forestal en función del tiempo, brindando una alerta temprana que permita tomar acción antes de que los daños por la tala ilegal sean irreversibles. Esto en contraposición al método tradicional, el cual se basa en patrullajes y denuncias ciudadanas, lo cual no es suficientemente eficiente ni rápido, específicamente en zonas de difícil acceso o zonas lejanas.

A través de las imágenes satelitales, se proporciona una cobertura constante y completa de grandes áreas geográficas. Costa Rica, con su topografía variada y su amplia red de áreas protegidas, puede beneficiarse de un sistema de monitoreo satelital complementado con estaciones de vigilancia localizadas que permita la observación continua y exhaustiva de todo su territorio, en especial de zonas prioritarias como parques nacionales, reservas biológicas y otras áreas protegidas.

Mediante líneas de tiempo comparativas con imágenes satelitales históricas, además de la información proporcionada por las estaciones de monitoreo instaladas en las zonas de interés, se identifican tendencias y patrones en la deforestación. Esta información es crucial para predecir áreas de mayor riesgo y establecer estrategias preventivas. Asimismo, con esto es posible evaluar la efectividad de las políticas de conservación y gestión forestal, aportando datos que pueden apoyar la toma de decisiones a nivel gubernamental y de organizaciones ambientales.

A nivel país, Costa Rica tiene compromisos internacionales en temas de reducción de emisiones y la conservación de su biodiversidad, como el Acuerdo de París y los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS), y se estaría sumando a los esfuerzos de la Unión Europea en su Reglamento sobre productos libres de deforestación, en la lucha contra la degradación forestal. Esto fundamenta la implementación de un sistema de monitoreo de tala ilegal mediante imágenes satelitales, ya que la herramienta contribuye significativamente al cumplimiento de los acuerdos detallados, al proveer información que ayude a proteger los bosques y reducir las emisiones derivadas de la deforestación.

En resumen, la herramienta DeforestAlert, utiliza imágenes satelitales en complemento con estaciones de vigilancia in situ para el monitoreo de la tala ilegal en Costa Rica, con el fin de proteger la biodiversidad del país y asegurar la sostenibilidad de sus recursos forestales. Este sistema no solo proporciona una detección temprana y más eficiente de la deforestación ilegal, sino que también permite a las autoridades una gestión más efectiva, reduciendo los impactos ambientales negativos y contribuyendo al bienestar general del país. Además, el análisis de datos históricos proporciona una visión más amplia y profunda sobre los patrones de deforestación, permitiendo la toma de decisiones informadas y el diseño de estrategias de conservación más robustas e integrales.

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📈 Modelo de negocio

Seguidamente, se detallan los componentes de un modelo Canvas, con el fin de ilustrar la manera en que el proyecto DeforestAlert puede convertirse en un startup.

Segmento de clientes

• En el corto plazo, el principal cliente es el Ministerio de Ambiente y Energía de Costa Rica (MINAE), específicamente con el Sistema de Información de los Recursos Forestales de Costa Rica (SIREFOR), el cual se encarga del Inventario Forestal Nacional y la Estrategia de Prevención, Protección y Control de la tala ilegal a nivel Nacional, entre otras estrategias orientadas a la protección de los bosques en el país.
• Para una segunda fase, se pretende trabajar con organizaciones no gubernamentales (ONGs) y empresas privadas dedicadas a la conservación ambiental y a la lucha contra la deforestación.
• También, a mediano plazo se incluirán instituciones académicas interesadas en estudios de deforestación y cambio climático, así como compañías aseguradoras interesadas en evaluar el riesgo de deforestación para el sector agrícola y forestal.
• Dada la replicabilidad del proyecto, a largo plazo se ofrecerá el servicio a nivel de instituciones gubernamentales, ONGs y empresas privadas e instituciones académicas de América Latina y el Caribe.

Propuesta de valor

• Monitoreo preciso y actualizado de la deforestación mediante análisis de imágenes satelitales de alta resolución en conjunto con estaciones de monitoreo en tierra, para ofrecer información precisa, confiable y detallada.
• Informes personalizados y automatizados que identifiquen cambios en la cobertura vegetal en intervalos regulares.
• Herramientas de predicción y análisis histórico para prever patrones de deforestación y su impacto ambiental.
• Sistemas de alerta temprana para detección de actividades ilegales como la tala no autorizada.
• Solución escalable y adaptable para implementarse en distintas zonas geográficas, ajustándose a las condiciones particulares de cada lugar y a las necesidades de los usuarios.

Canales

• Plataforma web, donde los usuarios puedan acceder a informes y análisis.
• Envío de alertas y visualización de datos vía SMS, ya que los mensajes de texto pueden funcionar incluso con poca señal y sin conexión a Internet.
• Integración con redes de telefonía de baja frecuencia como LoRaWAN, la cual permite enviar datos de bajo ancho de banda a largas distancias, que puede ser útil para ubicaciones donde el acceso a redes tradicionales es limitado.
• Servicios de consultoría personalizada para gobiernos y empresas que necesiten soluciones a la medida.
• Servicio de soporte al cliente, con chatbots para responder preguntas frecuentes, añadiendo la opción de comunicarse con un agente humano para resolver problemas más complejos o específicos.
• Eventos y conferencias del sector ambiental y tecnológico.

Relación con los clientes

• Soporte técnico para responder preguntas comunes de manera rápida y eficiente, mejorando la experiencia del usuario, acompañamiento antes, durante y después de adquirido el servicio y capacitación y asistencia oportuna en el uso de la plataforma.
• Consultoría personalizada para proyectos a la medida, con la opción de ajustar las funcionalidades según las necesidades específicas.
• Foros y seminarios web para difundir buenas prácticas en el monitoreo de la deforestación.
• Colaboraciones estratégicas con organizaciones y empresas que comparten la misión de la conservación, fomentando un sentido de comunidad y compromiso.

Fuentes de ingresos

• Pago por uso, con cargos basados en la cantidad de datos consultados por kilómetro cuadrado y de acuerdo con las áreas monitoreadas.
• Consultoría personalizada a gobiernos y compañías, con servicios a la medida, ya sea para integrar DeforestAlert con otros sistemas de gestión ambiental o para brindar personalización de parámetros según las necesidades específicas de cada cliente.
• Venta de informes detallados a terceros, como universidades u organismos no gubernamentales.
• Acceso premium a herramientas como las proyecciones avanzadas de deforestación.
• Publicidad responsable y patrocinio corporativo, donde se permita la participación de patrocinadores (empresas con políticas de sostenibilidad), quienes puedan apoyar el servicio a cambio de visibilidad en la plataforma.

Recursos clave

• Inventario Nacional Forestal de Costa Rica, para tener una base sobre la situación de la cobertura forestal a nivel nacional.
• Acceso a imágenes satelitales de agencias espaciales, principalmente de Sentinel, para obtener datos actualizados.
• Plataformas tecnológicas para almacenar y procesar grandes cantidades de datos satelitales.
• Estaciones de monitoreo in situ, con todos sus componentes, para la obtención de datos en tierra.
• Equipo de especialistas en geoinformación y procesamiento de imágenes.
• Investigadores y desarrolladores de inteligencia artificial, para crear y mejorar los algoritmos de análisis predictivo.
• Redes de socios, pertenecientes a universidades, agencias espaciales y organizaciones no gubernamentales.

Actividades clave

• Procesamiento y análisis de imágenes satelitales para identificar cambios en la cobertura vegetal.
• Validación de resultados obtenidos del procesamiento satelital con los datos generados por las estaciones de monitoreo in situ, instaladas en las zonas de interés.
• Desarrollo de algoritmos de detección de deforestación y modelos predictivos.
• Actualización y mantenimiento de la plataforma.
• Gestión de relaciones con los clientes y servicios de soporte, acompañamiento y consultoría personalizada.
• Investigación y desarrollo para mejorar la precisión de los análisis.
• Ofrecimiento de versiones básicas y gratuitas para el público o educación, permitiendo el monitoreo general con datos limitados.

Socios clave

• Proveedores de imágenes satelitales, específicamente ESA con el programa Sentinel.
• Programa de Investigaciones Aerotransportadas y Sensores Remotos (PRIAS) del Centro Nacional de Alta Tecnología de Costa Rica (CeNAT), en sus áreas de ciencias de la computación e infraestructura de datos espaciales.
• Universidades e instituciones de investigación, para colaboración en investigaciones avanzadas y desarrollo de nuevas tecnologías.
• Gobiernos locales y agencias internacionales, mediante alianzas estratégicas para el acceso a financiamiento y nuevos mercados.
• Organizaciones no gubernamentales y ambientalistas, para promover la plataforma y validarla en términos de impacto ambiental.
• Desarrolladores de software y plataformas en la nube para el alojamiento y procesamiento de datos.

Estructura de costos

• Costos de adquisición de imágenes satelitales, incluyendo contratos o compra de datos que ya no son de acceso libre.
• Desarrollo y mantenimiento del software, lo cual involucra la inversión en programación y mejora de la plataforma.
• Costos de almacenamiento y procesamiento de datos en la nube.
• Salarios de expertos técnicos (especialistas en teledetección, inteligencia artificial y análisis geoespacial).
• Gastos de mercadeo y ventas, para atraer clientes y ampliar el mercado.
• Licencias de software y herramientas de análisis, así como del hardware relacionado con las estaciones de monitoreo en tierra.

⚙️ Tecnologías espaciales de la UE

Para abordar el reto, se utiliza el Copernicus Browser, perteneciente al portal Copernicus Data Space System de la Agencia Espacial Europea (ESA).

Específicamente, se utilizan los datos recolectados por la misión Copernicus Sentinel-2, en la configuración de Vegetation and Forestry, haciendo uso del NDVI (Normalized Difference Vegetation Index).

Las imágenes obtenidas, se procesan y analizan en la Sentinel Application Platform (SNAP) de la ESA, la cual es de uso gratuito. En esta plataforma se realiza un Resampling de las imágenes y se calcula el índice espectral NDVI.

Adicionalmente, se utiliza el Copernicus Land Monitoring Service para comprender la manera en que las observaciones de monitoreo en tierra se utilizan para validar las observaciones satelitales, a través del servicio Ground-Based Observations for Validation del CLMS Portfolio.

🚀 Espacio para responder al desafío 

Se está resolviendo el Desafío #3: Preservar la biodiversidad y los hábitats en peligro, enfocado a la evaluación de la deforestación, donde la herramienta DeforestAlert utiliza imágenes satelitales y valida la información mediante estaciones de monitoreo colocadas en las áreas de interés, realizando comparaciones históricas con el fin de detectar patrones de tala ilegal y tomar acciones eficientes para mitigar el problema.

Contar con un sistema de alertas basado en datos satelitales e históricos permitirá a las autoridades ambientales y de seguridad mejorar su capacidad de respuesta. Las alertas de deforestación emitidas permiten una movilización más rápida de recursos, ya sea para controlar la tala ilegal o para tomar medidas preventivas.

El monitoreo satelital es una opción más económica y eficiente en comparación con la implementación de patrullajes físicos en todas las áreas protegidas, muchas de las cuales están ubicadas en zonas de difícil acceso. El sistema basado en tecnología satelital permite optimizar los recursos de vigilancia y enfocarlos donde realmente se necesitan, reduciendo costos operativos y humanos.

Con los datos históricos y los datos obtenidos por las estaciones de monitoreo en tierra, es posible caracterizar tendencias y mejorar la toma de decisiones para la conservación, a través de análisis predictivos para ir un paso adelante en la lucha contra la deforestación.

Un valor agregado de este proyecto consiste en aportar a la disponibilidad y divulgación de datos satelitales accesibles al público o a organizaciones no gubernamentales, permitiendo una mayor transparencia en los procesos de vigilancia forestal. Esto fomenta una participación ciudadana más dinámica en la detección y denuncia de actividades ilegales, involucrando a más actores en la protección de los recursos naturales de Costa Rica.

💻 Desarrollo del proyecto

Para iniciar el desafío, se comenzó por realizar una caracterización de las áreas protegidas del país (ver Figura 1), con recursos en línea del Sistema Nacional de Áreas de Conservación (SINAC).

                                        Figura 1. Mapa de áreas silvestres protegidas, SINAC (2017)

Con las ubicaciones de las distintas zonas, se procedió a realizar la búsqueda de imágenes satelitales del Sentinel 2 con corrección atmosférica L2-A, donde la nubosidad no sobrepasara el 20% (ver Figura 2), y se seleccionó un período de búsqueda del 01-01-2023 al 15-10-2024 (ver Figura 3), para una determinada zona protegida de Costa Rica.

                         Figura 2. Criterios de búsqueda para obtención de imágfenes del Sentinel 2

                           Figura 3. Rango de fechas para la búsqueda de imágenes del Sentinel 2

Al aplicar los criterios de búsqueda, se realizó la descarga de los productos en Copernicus Browser, los cuales consisten en una carpeta comprimida con distintos archivos, entre ellos la imagen en color real (ver Figura 4).

                            Figura 4. Imagen en color real, obtenida desde Copernicus Browser

Para el análisis y procesamiento de las imágenes, se utilizó SNAP y se cargaron los productos para realizar el proceso de Resampling. Se seleccionó la banda 2 para obtener una resolución espacial de 10 metros y se utilizó la técnica Nearest para el Upsampling o remuestreo. En la Figura 5, se evidencia el procesamiento de una de las imágenes utilizadas para el proyecto, el cual tardo 26 minutos y 51 segundos (ver Figura 6).

                          Figura 5. Resultado del resampling a una de las imágenes del proyecto

                               Figura 6. Cuadro de diálogo con los resultados del procesamiento

En cuanto a los índices espectrales, se utilizó el apartado de Thematic Land Processing y se seleccionó el NDVI, donde se eligieron las bandas 4 y 8 para el procesamiento de dicho índice, ya que estas corresponden a la banda roja y la banda infrarroja respectivamente.

Una vez procesada la imagen con el NDVI, se analizó la pestaña de Píxel Info, para observar y recopilar todos los índices, con el fin de realizar una comparativa por fechas, de acuerdo con las variaciones, y así determinar dónde hubo reducción de vegetación. En la Figura 7, se observa el NDVI para una localización en específico de la imagen procesada, el cual fue de 0.84743.

     Figura 7. Obtención de los NDVI en distintas localizaciones, utilizando el Píxel Info de SNAP

El NDVI toma valores de entre -1 y 1, por lo cual, para los propósitos de este proyecto, se siguió el criterio que explica EOS Data Analytics (2023), donde “los valores moderados (de 0,2 a 0,3) representan arbustos y praderas, mientras que los valores grandes (de 0,6 a 0,8) indican bosques templados y tropicales”. 

En complemento con las imágenes satelitales, se decidió contar con estaciones de monitoreo para observaciones en tierra, con el fin de brindar un análisis más preciso y detallado del entorno. Esto se debe a que las imágenes satelitales proporcionan una visión amplia y continua de grandes áreas, pero en ocasiones hay limitantes en cuanto a la precisión y resolución de ciertos datos, ya sea por la localización del punto de observación o por condiciones climáticas adversas. Es ahí donde entran en juego las estaciones de monitoreo in situ, las cuales recogen datos específicos en ubicaciones fijas, los cuales a veces los satélites no pueden medir directamente o con tanta precisión. Con estos datos, es posible calibrar y verificar las observaciones satelitales, mejorar los modelos y corregir posibles errores en la interpretación de las imágenes. A su vez, las estaciones en tierra pueden proporcionar datos en tiempo real, lo que es fundamental para el monitoreo de cambios en la cobertura forestal.

Para las estaciones in situ de DeforestAlert, se propusieron los siguientes dispositivos:

• Cámara para grabación de vídeo en HD y toma de fotografías de gran calidad, con sensor de movimiento y visión nocturna.
• Sensores acústicos para contrastar el paisaje sonoro habitual con voces humanas, camiones o motosierras (Kandiah, 2021).
• Sistema de Posicionamiento Global (GPS) para georreferenciar la ubicación exacta de la estación de monitoreo y para correlacionar los datos obtenidos con la información proveniente de las imágenes satelitales.
• Telémetros láser para medir y monitorear el entorno forestal, detectando variaciones en la topografía del bosque.
• Sistema de alimentación dual con baterías de campo de alta duración (hasta 6 meses) y paneles solares, con el fin de proporcionar la energía necesaria para el funcionamiento de los sistemas de las estaciones.

En la Figura 8, se observa una imagen con fines ilustrativos de los componentes para las estaciones de monitoreo en tierra del proyecto.

                               Figura 8. Cámara, sensor acústico, GPS, telémetro y sistema de alimentación

Posterior al análisis de las imágenes con los valores de NDVI y la caracterización de las estaciones de monitoreo in situ, se optó por crear un visualizador demostrativo, el cual ejemplifica la búsqueda de un usuario sobre cambios en la vegetación en una determinada zona. Mediante un timelapse o línea de tiempo con las imágenes de diferentes fechas (ver Figura 9), se realiza un barrido para detectar si hubo disminución en los índices, y de darse el caso, aparecen alertas asociadas (ver Figura 10), indicando la latitud y longitud, así como el valor de NDVI que se encuentra por debajo del aceptable (Ver Figura 11).

                Figura 9. Ejemplo del visualizador para detección de tala ilegal según la localización

                      Figura 10. Ejemplo de detección de tala ilegal, una vez realizado el barrido

          Figura 11. Reporte detallado de la alerta, con la fecha, latitud, longitud y NDVI obtenido

En la página web del demo, también se tienen secciones informativas de la plataforma y noticias relacionadas con la deforestación y políticas tanto nacionales como internacionales para disminuirla (ver Figura 12).

         Figura 12. Fragmento de la sección de Noticias en la página web del demo de DeforestAlert

🌎 Plan de crecimiento

Nuestra visión es clara, ya que estamos convencidos de que DeforestAlert representa un paso importante hacia una protección forestal más efectiva, moderna y accesible. Es por ello que a continuación se detalla la ruta de crecimiento de este proyecto.

Corto plazo (1 año): El objetivo inicial es a nivel gubernamental, al generar un acercamiento con el Sistema de Información de los Recursos Forestales de Costa Rica (SIREFOR), el cual es parte del Sistema Nacional de Áreas de Conservación de Costa Rica (SINAC), ofreciendo el servicio y trabajando en conjunto para calibrar el sistema de alertas y parámetros de funcionamiento según el contexto local, logrando una solución personalizada para las necesidades inmediatas en la gestión operativa del control de la tala ilegal.

Mediano plazo (2-3 años): Con la experiencia inicial, se pretende la expansión a organizaciones no gubernamentales y a empresas privadas nacionales, a través de colaboraciones, brindando el servicio de alertas y reportes, así como acompañamiento y soporte. En esta fase se planea desarrollar modelos de datos personalizables según las necesidades de los potenciales clientes.

Largo plazo (4-5 años): La meta en esta etapa es escalar el proyecto a nivel regional, con presencia en la mayor cantidad posible de países en América Latina y el Caribe, integrándonos con redes y políticas de conservación en las diferentes regiones, estableciendo alianzas estratégicas internacionales y formando un marco de cooperación con datos compartidos sobre monitoreo forestal.

👥 Equipo

• Ana Laura Loría García: Ingeniera electromecánica y docente, apasionada por temas espaciales y con habilidades para las tecnologías de información. 
• Antonio Loría García: Experto en Estadística, docente universitario, con habilidades para R y Power Bi y con un profundo interés por el análisis de datos de la Tierra.

📖 Referencias Bibliográficas

Canje por Bosques. (2022, junio 30). Áreas protegidas del país reciben fuerte impulso para su fortalecimiento y mejora. https://canjeporbosques.org/areas-protegidas-del-pais-reciben-fuerte-impulso-para-su-fortalecimiento-y-mejora/

Centro Nacional de Alta Tecnología (CENAT). (n.d.). Plataforma de Investigación y Acción para la Sostenibilidad (PRIAS). https://prias.cenat.ac.cr/es/

Cooperativa de Trabajo Cambalache. (s. f.). Descarga de NDVI desde Copernicus Browser. https://cambalache.coop.ar/descarga-de-ndvi-desde-copernicus-browser/

EOS Data Analytics. (s. f.). Índice de vegetación de diferencia normalizada (NDVI). https://eos.com/es/make-an-analysis/ndvi/

Instituto de Desarrollo de Córdoba (IDECOR). (s. f.). Paso a paso: Cómo calcular NDVI con SNAP. https://www.idecor.gob.ar/paso-a-paso-como-calcular-ndvi-con-snap/

Instituto Geográfico Nacional. (s. f.). Tutoriales Copernicus en español. https://www.ign.es/web/tutoriales-copernicus-espanol

Kandiah, G. (2021, noviembre 12). Dispositivos inteligentes para “escuchar la selva” y prevenir la tala ilegal. EFEverde. https://efeverde.com/dispositivos-inteligentes-selva-tala-ilegal/

Parlamento Europeo. (2022). El Reglamento sobre productos libres de deforestación. https://www.europarl.europa.eu/RegData/etudes/ATAG/2022/733624/EPRS_ATA(2022)733624_ES.pdf

Sistema de Información de Recursos Forestales de Costa Rica (2015). Inventario Nacional Forestal de Costa Rica 2014-2015: Resultados y Caracterización de los Recursos Forestales. https://www.sirefor.go.cr/Sirefor/index

Sistema Nacional de Áreas de Conservación (SINAC). (s. f.). Áreas de conservación. https://www.sinac.go.cr/ES/ac/Paginas/default.aspx