Un grupo integrado por biólogos e ingenieros de la Universidad de São Paulo (USP), en Brasil, aplicó por primera vez la tecnología LiDAR (Light Detection and Ranging) para investigar la salud de los árboles urbanos y adecuar la poda con el objetivo de reducir el riesgo de caídas. Esta tecnología de sensorización láser crea una “nube de puntos”, una especie de molde digital 3D formado por millones de coordenadas, que reproduce la arquitectura exacta de la planta dentro del ordenador.
Con esa réplica, los investigadores aplicaran un algoritmo de poda basado en métodos de “optimización topológica”. La técnica simula la fuerza de los vientos en el modelo para identificar las regiones de mayor fragilidad (complacencia) mecánica de la planta. Así, el sistema calcula exactamente qué ramas deben cortarse para que el árbol redistribuya sus tensiones y se vuelva más fuerte y equilibrado. El objetivo final del grupo es usar la técnica LiDAR y otras disponibles para crear una aplicación que oriente la poda, haciendo que los árboles sean menos susceptibles a los vientos, para evitar el riesgo de caídas.
El problema es bien conocido. En diciembre de 2025, vientos de más de 90 km/h azotaron la capital paulista y sus alrededores. El resultado fue de 1.327 registros de llamados por caída de árboles en la Región Metropolitana de São Paulo, incluidos incidentes con personas lesionadas. Más de 2 millones de habitantes del Gran São Paulo se quedaron sin energía en ese momento.
“Las podas mal planificadas dejan a los árboles vulnerables al viento que, cuando alcanza altas velocidades, puede provocar el desarraigo o la rotura de troncos y ramas, especialmente en árboles aislados. El problema se agrava por los túneles de viento, conocidos como cañones urbanos. Las ráfagas de viento, la lluvia y las altas temperaturas durante la temporada de lluvias aumentan el riesgo de caída, sobre todo en árboles mal manejados o enfermos”, resume Marcos Silveira Buckeridge, coordinador del Laboratorio de Fisiología Ecológica de Plantas (Lafieco) del Departamento de Botánica del Instituto de Biociencias de la Universidad de São Paulo (IB-USP) y coautor de un trabajo publicado en mayo en la revista Trees: Structure and Function.
El punto de partida del estudio fue una conversación informal entre Buckeridge y Emílio Carlos Nelli Silva, del Departamento de Ingeniería Mecatrónica y de Sistemas Mecánicos de la Escuela Politécnica (Poli) de la USP. “Le pregunté si sería posible modelar una mejor forma de podar, estudiando el equilibrio de los árboles. Me respondió que podríamos desarrollar un conjunto de ecuaciones para ello”. Posteriormente, ambos invitaron a Marcelo Knörich Zuffo, del Departamento de Ingeniería de Sistemas Electrónicos de la Poli-USP, quien cuenta con una amplia experiencia en tecnología LiDAR.
El trabajo contó con el apoyo de la FAPESP mediante una beca de Iniciación Científica concedida al primer autor del artículo, Luís Otávio Trotti Martins Guedes de Souza, guiado por Nelli Silva em la Poli-USP.
Metodología
Los investigadores realizaron un escaneo alrededor de un ejemplar de tipuana (Tipuana tipu) ubicado en el campus Butantã de la USP. Se trata de una especie ampliamente utilizada en el arbolado urbano. “El escáner se instala sobre un trípode cerca de la base del árbol, que debe estar bien iluminado. Además, las condiciones climáticas deben ser favorables. Una vez completado el escaneo desde el primer punto, es necesario mover el equipo a otra posición cercana al árbol y repetir el procedimiento hasta capturar suficientes perspectivas para generar una nube de puntos completa del objeto”, explica Buckeridge.
Tecnología de detección láser crea una “nube de puntos” que reproduce la arquitectura exacta de la planta dentro de la computadora (imagen: Lafieco/divulgación)
De este modo se genera una nube de 30 millones de puntos que captura la forma del árbol. “A partir de ella, Luís Otávio comenzó a desarrollar las ecuaciones. Se eliminaron las hojas de las imágenes 3D, dejando únicamente el tronco. Luego ‘aplicamos viento’ desde distintas direcciones y observamos la sensibilidad del árbol”.
Esta exposición al viento se modela con precisión mediante simulaciones por elementos finitos (FEM, por sus siglas en inglés), una técnica que permite predecir cómo responden los árboles a factores de estrés como el viento y la temperatura.
Los resultados muestran que, cuando se poda una rama generando una asimetría topológica, el árbol presenta una mayor fragilidad al ser expuesto al viento. “Este artículo es importante porque constituye una prueba de concepto, con ecuaciones matemáticas que demuestran que es posible utilizar la tecnología LiDAR para este fin”. El biólogo afirma que el modelado matemático resulta muy útil para ayudar a predecir si un árbol puede caer. “El problema es que, para escanear un solo árbol con el nivel de detalle que utilizamos en este artículo, tardamos 40 minutos”.
En este caso, el árbol escaneado se encuentra precisamente en un túnel de viento. Tiene otros árboles a ambos lados, pero no detrás ni delante, por lo que recibe el viento de forma directa. “Descubrimos que es más resistente en los lados donde no está en contacto con los árboles vecinos. Un conjunto de árboles cuyas copas y ramas se entrelazan es más resistente que un árbol aislado, porque las ramas ayudan a disipar la fuerza del viento. Aún no hemos realizado esos cálculos sobre la disipación del viento por las hojas, pero pretendemos hacerlo”.
El algoritmo de poda basado en optimización topológica indica la eliminación de material (por ejemplo, ramas o partes del árbol) a partir de la distribución de tensiones obtenida mediante el método de elementos finitos (FEM). El equipo busca reducir las debilidades estructurales garantizando que la remoción durante la poda no supere el 20 % del material del árbol. Según Nelli Silva, la optimización topológica prioriza las regiones con mayor flexibilidad mecánica, lo que da como resultado una estructura más equilibrada y resistente. En otras palabras, la poda calculada por el algoritmo mejora la respuesta del árbol frente al viento, especialmente cuando presenta problemas que han afectado su equilibrio, como la pérdida de ramas o la presencia de enfermedades.
Según Buckeridge, la metodología puede aplicarse a las angiospermas eudicotiledóneas (el grupo más grande de plantas con flores del planeta, que abarca desde frijoles, soja, naranja y fresa, hasta rosales, ipés y girasoles), que presentan una estructura clásica de ramificaciones y ramas. “No puedo extrapolar este método, por ejemplo, a las palmeras”. No obstante, el autor subraya que el trabajo humano en la poda sigue siendo indispensable. “No estamos hablando de sustituir a las personas que realizan la poda, sino de proporcionar una herramienta que facilite ese trabajo y, al mismo tiempo, haga que el árbol sea más resiliente”.
Asimismo, destaca que ya existe un proyecto en marcha en la Alcaldía de São Paulo que utiliza esta técnica para escanear los 650 mil árboles existentes en las calles de la ciudad. “Quizás [a gran escala] no sea posible hacerlo con la precisión que logramos en este estudio, donde se evaluó solo un árbol”, reflexiona Buckeridge. Aun así, según el investigador, la estrategia permite estimar la salud de la planta.
Por ahora, la técnica LiDAR se está utilizando solo para monitorear y catalogar los árboles de la ciudad y no para guiar la poda.
Raíz, movimiento y agua
El artículo no incluye datos sobre las raíces de los árboles. Sin embargo, alrededor del 30 % de las caídas de árboles en la ciudad de São Paulo están relacionadas con el sistema radicular. “Es un aspecto importante que abordamos en otro artículo, ya enviado para publicación. En él comparamos un árbol ubicado en un estacionamiento, otro en una acera y otro en un parque. Una exalumna mía, Aline Cavalari, profesora de la Unifesp [Universidad Federal de São Paulo], lidera esos estudios”.
Explica que los datos sobre las raíces se obtienen mediante un georradar. “Es una especie de dispositivo que pasamos alrededor del árbol para poder ‘ver’ las raíces. En este trabajo publicado en Trees incluimos un factor de corrección en los cálculos para compensar la ausencia de datos sobre las raíces. Pero ese sigue siendo un desafío: tendremos que incorporarlas”.
El biólogo afirma que lo ideal sería desarrollar una aplicación que tuviera en cuenta la mayoría de los factores que contribuyen al riesgo de caída de un árbol, como la expansión y contracción de la madera en función de la temperatura. “Esa propiedad de la madera todavía no se considera en los modelos. Sin embargo, ahora adquirimos varios dendrómetros, equipos que miden la dilatación y la contracción, un fenómeno que también está relacionado con la presencia de agua y constituye un factor importante en el riesgo de caída. Cuando llueve durante toda una semana, el peso del árbol aumenta de forma drástica y también lo hace la probabilidad de que caiga, pero todavía no podemos calcular ese efecto. Es posible incorporar el agua, el peso y todos esos factores en las ecuaciones. Sin embargo, el procesamiento computacional de toda esa información será muy exigente. Es un desafío que tendremos que afrontar”.
Otros usos del LiDAR
Los científicos han realizado diversos experimentos con los árboles del propio campus de la USP. Aquellos que ya presentan algún problema —por ejemplo, que están huecos por dentro o tienen raíces o copa en proceso de deterioro— son más vulnerables, y el equipo intenta mapear esa vulnerabilidad. “En la calle de los bancos [Avenida Prof. Luciano Gualberto] estamos evaluando árbol por árbol para conocer su estado de salud y el riesgo que representan. Ya hemos examinado la mitad. Ahora utilizaremos el LiDAR para elaborar ese inventario. Compramos un equipo más pequeño, con ventosas para fijarlo al automóvil. Circulando a 20 km/h es posible elaborar un mapa de todos los árboles de la calle. Incluso podemos detectar, por ejemplo, si tienen cavidades en el tronco. La precisión es del orden de centímetros”, asegura Buckeridge, quien también cuenta con la colaboración del matemático Roberto Hirata en el trabajo de reconocimiento de imágenes.
Otro experimento se lleva a cabo en la Avenida Professor Mello Moraes, donde el equipo, integrado también por la investigadora posdoctoral Fernanda Mendes de Rezende y el estudiante de iniciación científica Jonatas da Silveira, encontró ejemplares de sibipiruna (Caesalpinia pluviosa) contaminados con Ganoderma, un hongo que suele desarrollarse en la parte inferior del tronco.
“Con la colaboración de la empresa PD Instrumentos utilizamos un penetrómetro para medir la resistencia de la madera y determinar si existen cavidades en el tronco, además de un equipo de ultrasonido para complementar los datos. En este caso se golpea el tronco con un pequeño martillo y el ultrasonido capta el eco que regresa”.
Según él, el equipo encontró cinco árboles contaminados por el hongo que presentaban cavidades en el tronco y otros cinco que no mostraban ninguno de esos problemas. “El uso combinado de estas dos técnicas ya ofrece resultados extraordinarios. Ahora utilizaremos el LiDAR para identificar las diferencias entre ambos grupos y estudiar la mejor manera de integrar los datos. Si examinamos las copas mediante LiDAR y encontramos evidencias visibles del estado de salud —o del deterioro— de los árboles, podremos desarrollar un protocolo de diagnóstico que incorpore diversas herramientas. En otras palabras, estamos utilizando el LiDAR de múltiples maneras.”
Marcadores universales
También hay investigadores que estudian la bioquímica de los árboles en busca de marcadores que revelen su susceptibilidad, como Bruno Viana Navarro. “Estamos empezando a recolectar muestras para analizar bioquímicamente los árboles con el objetivo de identificar marcadores universales de vulnerabilidad, es decir, que puedan utilizarse en distintas especies. Creo que es posible encontrar marcadores universales, porque existe una fisiología básica compartida por todas ellas, incluso por las palmeras”, adelanta Buckeridge.
Según el investigador, es posible buscar respuestas analizando lo que ocurre con los azúcares, los alcoholes, los compuestos del metabolismo secundario o incluso con la expresión de genes, en el caso de la búsqueda de marcadores genéticos.
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Fuente: Agencia Fapesp