RADAGAST CHIQUITANÍA

UPC • Perfil de Trabajo de Grado

01 / 25
DEFENSA DE PERFIL DE INVESTIGACIÓN

Sistema de detección anticipada de incendios forestales mediante redes neuronales convolucionales multiespectrales en la Chiquitanía

Integración de tensores ópticos Sentinel-2, dinámica eólica ERA5-Land y redes móviles comunitarias en el departamento de Santa Cruz.

Postulante

Jaime Antonio Claure Álvarez

Docente Tutor

Lic. Hernando Chávez Hurtado

Institución

Universidad Privada Cumbre

Ecorregión de la Chiquitanía y Vulnerabilidad

El departamento de Santa Cruz alberga el Bosque Seco Chiquitano, uno de los bosques secos tropicales continuos más extensos y biodiversos del planeta, conectado directamente con el Pantanal y la cuenca amazónica.

Ciclo de Estiaje Crítico

Entre agosto y octubre convergen precipitaciones casi nulas, temperaturas extremas (>35°C), baja humedad relativa y vientos del norte que resecan rápidamente el combustible foliar.

El fuego no solo arrasa flora y fauna endémica, sino que genera densas cortinas de humo que viajan cientos de kilómetros, paralizando actividades y disparando los niveles de contaminación del aire en la metrópoli cruceña.

20+ Mill.

Hectáreas de bosque seco y sabanas en peligro latente

6 Meses

Ventana crítica de sequía y déficit de recarga hídrica

Impacto Metropolitano

Contaminación severa con PM2.5 en Santa Cruz de la Sierra: suspensión de clases escolares, emergencias respiratorias y vuelos cancelados en Viru Viru.

2024: El Máximo Histórico de Quemas

Estudio 2026 (Landsat)

1985-2024

La serie histórica multidecadal confirmó que el 2024 superó todas las marcas previas registradas en Santa Cruz desde el inicio de las mediciones satelitales.

Fuente: Revista Ecología en Bolivia (2026)
01

Colapso del Bosque Primario

El fuego penetró en masas boscosas densas que antes eran resistentes, destruyendo árboles milenarios de maderas duras y reservorios biológicos.

02

Rebasamiento de la Capacidad de Respuesta

Las brigadas de bomberos y los apoyos aéreos no lograron contener los frentes de fuego activos simultáneos que superaron los 80 km de extensión continua.

03

Evidencia Cartográfica Incontrastable

La Fundación TIERRA documentó cicatrices continuas que demandan el reemplazo urgente de alertas pasivas por modelos anticipados de riesgo.

Superficie Quemada por Municipios (2024)

Concepción

Prioridad Muy Alta
2.040.000 ha

San Matías

Prioridad Muy Alta
2.008.000 ha

San Ignacio de Velasco

Prioridad Muy Alta
1.525.000 ha

Urubichá

Prioridad Alta
699.000 ha

San Rafael de Velasco

Prioridad Alta
482.000 ha

Ascensión de Guarayos

Prioridad Alta
447.000 ha
Total consolidado superior a los 7.2 millones de hectáreas en estos 6 municipios centrales. Justifica la focalización espacial del modelo predictivo.

Territorio Indígena Monte Verde (TCO)

Informe Oficial APCOB 2024 71% Calcinado

672.483,62 ha

Afectación territorial directa sobre el hábitat ancestral chiquitano.

• Abarcó también territorios de Lomerío y Zapocó.

• Destrucción de sistemas agroforestales comunitarios y fuentes de agua.

• Pérdida irreparable de fauna y plantas medicinales nativas.

Relevancia para la Investigación:

Monte Verde cuenta con cartografía validada de ubicación y severidad del fuego (dNBR). Esto proporciona la base empírica ideal para el levantamiento de polígonos de triangulación perimetral (Puntos A, B, C, D) requeridos para calibrar la red neuronal.

Integración Comunitaria

Los guardaparques comunales y brigadas indígenas serán los principales usuarios de las alertas de riesgo preventivo en sus teléfonos móviles.

Estructuración Metodológica UPC

Matriz de Formulación: L - Q - P

L

Lugar

Ecorregión de la Chiquitanía (municipios de Concepción, San Matías, San Ignacio, Urubichá) y áreas periurbanas de Santa Cruz de la Sierra.

Espacio Geográfico e Institucional
Q

Quiénes

Comunidades indígenas (TCO Monte Verde/Lomerío), Unidades de Gestión de Riesgo (UGR), cuerpos de bomberos y población urbana afectada por humo.

Beneficiarios y Actores Clave
P

Problema

Monitoreo reactivo y tardío basado en focos térmicos que detectan el fuego solo tras la ignición, sin modelar el estrés hídrico previo ni el viento.

Fenómeno a Resolver

Interrogante Científica e Hipótesis

Pregunta Central de Investigación

"¿En qué medida el diseño y entrenamiento de una red neuronal convolucional profunda con arquitectura de fusión temprana (Early Fusion) sobre tensores multiespectrales de Sentinel-2 L2A y variables eólicas de ERA5-Land permite clasificar y anticipar los niveles de riesgo de incendios en zonas críticas de la Chiquitanía cruceña?"

Hipótesis de Trabajo (Hi)

La implementación de una red neuronal convolucional (EarlyFusionFireNet) sobre tensores multimodales de 12 canales permite predecir la susceptibilidad territorial de ignición en la Chiquitanía con un F1-Score superior al 85% y una sensibilidad (Recall) superior al 95% en la clase Extremo, superando los límites reactivos de la teledetección pasiva.

Variable Independiente (X):

Tensores de 12 canales (6 bandas ópticas + 3 índices foliares + 3 componentes de viento ERA5).

Variable Dependiente (Y):

Nivel de riesgo clasificado en 4 clases: Bajo (0), Medio (1), Alto (2) y Extremo (3).

Justificación Cuádruple (Normativa UPC)

1. Justificación Social

Protege vidas y medios de subsistencia en comunidades indígenas chiquitanas; mitiga las crisis ambientales y sanitarias causadas por humaredas en Santa Cruz de la Sierra.

2. Justificación Teórica

Aporta a la ciencia computacional al adaptar modelos profundos para procesar tensores multiespectrales de 12 canales, superando el enfoque convencional limitado a canales RGB.

3. Justificación Metodológica

Modela un flujo replicable: extracción en Google Earth Engine, entrenamiento en PyTorch con regularización numérica y despliegue cartográfico vectorial en QGIS.

4. Justificación Profesional

Aplica herramientas avanzadas de ingeniería de software e inteligencia artificial geoespacial para resolver un desafío ambiental urgente del departamento.

Objetivos del Proyecto

Objetivo General

Desarrollar un sistema de alerta temprana de incendios forestales para áreas prioritarias de la Chiquitanía mediante el modelado y clasificación de tensores multiespectrales (Sentinel-2) y dinámicas eólicas (ERA5-Land) de 12 canales utilizando una red neuronal convolucional profunda (EarlyFusionFireNet) e integración cartográfica SIG.

1. Construir el pipeline en Google Earth Engine con 6 bandas Sentinel-2, 3 índices foliares y 3 variables eólicas ERA5.
2. Delimitar la malla vectorial de celdas de 640m × 640m (40.96 ha) y generar parches de 12 canales y 64×64 píxeles.
3. Triangular cicatrices históricas mediante vértices perimetrales (A, B, C, D) para verificación territorial.
4. Diseñar y entrenar EarlyFusionFireNet en PyTorch aplicando regularización de pesos, Label Smoothing y Gradient Clipping.
5. Exportar las inferencias territoriales a capas GeoJSON para visualización operativa en QGIS y tableros comunitarios.

Evolución de Paradigma: Reactivo vs. Preventivo

Enfoque Tradicional (Pasivo)

Reactivo
  • ✕ Sensores térmicos (MODIS/VIIRS): Detectan calor únicamente cuando la masa vegetal ya está en llamas.
  • ✕ Pérdida de la ventana de acción: Cuando se emite la alarma, el fuego ya abarca cientos de hectáreas.
  • ✕ Sin predicción de sequedad: Ignora el contenido hídrico de la biomasa antes del evento.

Propuesta RADAGAST (Early Fusion)

Anticipatorio
  • ✓ Modelado pre-ignición: Predice qué cuadrantes arderán en base a deshidratación vegetal y viento.
  • ✓ Resolución de 10 metros: Zonificación de riesgo a escala de parcela con Sentinel-2 L2A.
  • ✓ Patrullajes dirigidos: Permite realizar cortafuegos y movilizar brigadas antes del siniestro.

Espectrometría Satelital Óptica (Sentinel-2 L2A)

Espectro Visible

B2, B3, B4 (10 metros)

Canales Azul, Verde y Rojo. Registran el dosel verde y permiten descartar coberturas no boscosas y cuerpos de agua.

Infrarrojo Cercano

B8 - NIR (10 metros)

Reflectancia de la estructura celular del mesófilo foliar. Fundamental para medir la biomasa vegetal viva.

Infrarrojo de Onda Corta

B11 y B12 - SWIR (20m a 10m)

Altamente sensible a la absorción de agua en hojas y suelo. Remuestreado bicúbicamente a 10m para mantener resolución homogénea.

Filtrado Atmosférico: Se aplica la máscara de clasificación de escena (SCL) con CLOUDY_PIXEL_PERCENTAGE < 20%, eliminando nubes y sombras que generarían falsas alarmas.

Formulación de Índices de Estrés Hídrico

NDMI (Humedad Foliar)

NDMI = (B8 - B11) / (B8 + B11)

Mide el contenido de agua en la estructura celular de las hojas. Sus valores caen abruptamente cuando el bosque chiquitano sufre sequía.

NMDI (Sequía Multibanda)

(B8 - (B11 - B12)) / (B8 + (B11 - B12))

Sensible a la desecación simultánea del dosel vegetal y del estrato de suelo subyacente, captando el combustible seco caído.

NBR (Razón de Calcinación)

NBR = (B8 - B12) / (B8 + B12)

Evalúa la densidad de biomasa viva antes del fuego y delimita con precisión las cicatrices calcinadas (dNBR) para verificación.

Dinámica Meteorológica y Viento (ERA5-Land)

El viento es el acelerador crítico en la propagación de fuegos forestales en las llanuras y serranías chiquitanas, aportando oxígeno continuo y generando saltos de pavesas a grandes distancias.

Componentes Extraídas (ECMWF):

  • • Componente zonal u (vector Este-Oeste a 10m de altura)
  • • Componente meridional v (vector Norte-Sur a 10m de altura)
  • • Magnitud continua escalar calculada:
Velocidad = √(u² + v²)
Remuestreo y Fusión

La resolución nativa de ERA5-Land (aprox. 9 km) se interpola espacialmente mediante convolución bicúbica hacia la cuadrícula de 10 metros de Sentinel-2.

Esto permite que cada píxel de 10m posea su condición biofísica espectral y su vector eólico asociado en un único tensor de entrada.

Concepto de Fusión Temprana (Early Fusion)

Fusión Tardía (Late Fusion)

Las bandas espectrales y los datos de viento se procesan en redes separadas y solo se combinan en las últimas capas densas. Desventaja: Pierde la correlación cruzada no lineal temprana entre sequía y viento.

Rama Óptica + Rama Eólica → Capa Final

Fusión Temprana (Early Fusion - Nuestro Enfoque)

Los 12 canales se concatenan en la entrada formando un tensor unificado X ∈ ℝ^(B×12×64×64). La primera capa convolucional extrae de inmediato patrones cruzados de sequedad foliar y viento.

Tensor 12 Canales → Conv1 (64, 12, 7, 7)
Estructura del Tensor de 12 Canales: [B2, B3, B4, B8, B11, B12, NDMI, NMDI, NBR, u, v, Velocidad]

Topología del Modelo (PyTorch CUDA)

Backbone ResNet-50

Reconfiguración conv1

Se sustituye la capa conv1 estándar (64, 3, 7, 7) por (64, 12, 7, 7) para recibir los 12 canales sin colapso dimensional.

Transfer Learning

Inicialización Kaiming

Se retienen los pesos preentrenados de ImageNet en los 3 canales RGB; los 9 canales restantes se inicializan con distribución Kaiming Normal.

Head Clasificador

Salida Multiclase

Dropout(0.30) → Linear(2048, 256) → ReLU → Dropout(0.30) → Linear(256, 4). Genera logits para las 4 clases de riesgo.

Parámetros Totales: ~23.5 Millones Optimizado para GPU NVIDIA Tesla T4

Mitigación del Colapso de Gradiente

1. Pesos Acotados (Weight Clipping)

Los pesos inversos de clase desbalanceada se restringen mediante clip(w, 0.5, 6.0). Erradica multiplicadores destructivos (w > 250) que desestabilizan la pérdida.

2. Suavizado de Etiquetas (Label Smoothing)

Se aplica ε = 0.05 en la función CrossEntropyLoss. Evita que la red desarrolle sobreconfianza extrema en los límites de decisión entre clases limítrofes.

3. Recorte de Gradientes (Gradient Clipping)

Restricción estricta de la norma euclidiana máxima de gradientes a max_norm = 1.0, garantizando una convergencia asintótica y monótona decreciente.

Scheduler: Cosine Annealing (lr: 2×10⁻⁴ a 1×10⁻⁶ en 15 épocas) Curva de pérdida final: 0.5145

Segmentación Territorial y Grilla de Muestreo

Para que la red neuronal procese el territorio de forma estandarizada, la superficie chiquitana se divide en una cuadrícula regular proyectada en UTM Zona 20S (EPSG:32720).

Dimensión geométrica: 640 metros × 640 metros
Área superficial por celda: 40.96 hectáreas
Matriz de entrada (Píxeles a 10m): 64 × 64 píxeles
Empaquetamiento Binario (.npz)

Cada cuadrante de 40.96 ha se extrae de Google Earth Engine y se almacena como un parche comprimido dataset_chiquitania_12ch.npz.

Elimina el cuello de botella de lectura/escritura (I/O) en disco durante el entrenamiento por lotes en GPU.

Triangulación Perimetral de Cicatrices

Siguiendo las directrices del proyecto, no se toma una sola coordenada central del municipio. Se realiza el levantamiento poligonal en los bordes de la cicatriz de quema:

Punto A: Vértice perimetral Norte / Borde del incendio
Punto B: Vértice perimetral Este / Límite de propagación
Punto C: Vértice perimetral Sur / Foco de origen
Punto D: Vértice perimetral Oeste / Contención

Secuencia Operativa SIG:

  1. Identificar la cicatriz en imagen Sentinel-2 / Landsat post-quema.
  2. Registrar latitud y longitud de los 4 vértices extremos.
  3. Construir el polígono vectorial cerrado en QGIS.
  4. Calcular el área geométrica en hectáreas.
  5. Cruzar con el catálogo de focos térmicos para validación.
Asegura que el entrenamiento del modelo reconozca la morfología real del fuego en el monte.

Cartografía Temática Obligatoria

Mapa 1:

Ubicación Departamental

Localización de la Chiquitanía en el contexto de Santa Cruz y Bolivia.

Mapa 2:

Afectación Municipal 2024

Distribución de hectáreas quemadas por municipio (Concepción, San Matías, etc.).

Mapa 3:

Cicatrices dNBR Históricas

Severidad de quema en el Territorio Indígena Monte Verde (APCOB).

Mapa 4:

Triangulación Perimetral

Zona piloto de estudio con vértices A, B, C, D georreferenciados.

Mapa 5 (Producto Final):

Zonificación de Riesgo Predictivo

Capas vectoriales GeoJSON con cuadrículas clasificadas (Bajo, Medio, Alto, Extremo) para despacho de brigadas.

Diagnóstico Comunitario: Enfoque 50/50

Módulo I: Dinámica del Fuego (50%)

4 Preguntas
  • • Factores meteorológicos de descontrol (viento vs sequedad).
  • • Tiempos de detección y respuesta de brigadas locales.
  • • Limitaciones percibidas de los satélites térmicos.
  • • Aceptación de mapas predictivos de riesgo previo.

Módulo II: Fauna y Acción Local (50%)

4 Preguntas
  • • Especies más vulnerables (mamíferos lentos, reptiles).
  • • Rutas de escape y refugio hacia áreas pobladas.
  • • Existencia de protocolos de auxilio y centros de rescate.
  • • Disposición ciudadana a emitir alertas móviles georreferenciadas.
Estructurado bajo preguntas cerradas y en abanico para tabulación estadística paramétrica directa.

Alerta Temprana en Dispositivos Móviles

1

Recepción de Alertas

Las cuadrículas clasificadas en nivel Rojo (Extremo) envían notificaciones push automáticas a guardaparques y brigadistas en el sector.

2

Reporte de Campo Offline

Permite a los comunarios registrar coordenadas GPS y fotografías de focos incipientes o fauna herida sin requerir conexión a internet inmediata.

3

Sincronización Automática

Al detectar cobertura móvil en caminos o centros urbanos, los datos se sincronizan con la base central para actualizar la cartografía de QGIS.

Presupuesto del Proyecto (Capítulo IX)

Cómputo en la Nube y GPU (Tesla T4) 4.200 BOB
Datos Satelitales (GEE y Sentinel-2) 0 BOB (Open Data)
Software SIG y Entornos (QGIS / PyTorch) 0 BOB (FOSS)
Validación de Campo (Puntos A, B, C, D) 5.500 BOB
Materiales y Difusión Académica 1.800 BOB
Inversión Inicial Total: 11.500 BOB

Criterio de Evaluación Económica:

Siguiendo las pautas de proyectos de inversión vistas en aula (VAN y B/C), el retorno social se cuantifica como pérdida económica evitada:

• Costo por hectárea quemada: ~150 $US

• Prevenir solo 50 ha = 7.500 $US salvados

• Relación Beneficio/Costo >> 1.0 (Altamente Viable)

Cronograma de Ejecución (6 Meses)

1. Delimitación de grilla y revisión bibliográfica
Mes 1
2. Extracción satelital y Mosaico en GEE
Mes 1
Mes 2
3. Dataset de 12 canales y triangulación de cicatrices
Mes 2
Mes 3
4. Entrenamiento de EarlyFusionFireNet (PyTorch)
Mes 4
Mes 5
5. Validación cartográfica SIG y Perfil final
Mes 5
Mes 6

Resultados Esperados del Modelo

> 93%

Exactitud Global (Accuracy)

> 0.89

Macro F1-Score

> 98%

Sensibilidad (Clase Extremo)

Impacto en la Reducción del Falso Negativo Crítico:

El ajuste por funciones acotadas y sensibilidad focalizada garantiza que prácticamente ninguna celda con condiciones extremas de ignición sea omitida, asegurando que las cuadrículas en peligro sean alertadas a los comités de emergencia antes de la primera llama.

Conclusiones y Recomendaciones

Conclusiones Principales

  • • La fusión temprana de 12 canales resuelve la limitación reactiva de los focos de calor tradicionales.
  • • La calibración biofísica con percentiles locales del bosque chiquitano elimina el colapso monoclase.
  • • La regularización coordinada (Weight Clipping + Label Smoothing) estabiliza la convergencia del entrenamiento.
  • • El sistema es escalable hacia los 6 municipios más castigados de Santa Cruz.

Recomendaciones Finales

  • • Instalar nodos de validación en campo en coordinación con la TCO Monte Verde y el COED Santa Cruz.
  • • Incorporar modelos hidrológicos de recarga freática en versiones futuras del tensor multimodal.
  • • Capacitar a los bomberos comunitarios en la interpretación de los mapas de calor predictivo en teléfonos móviles.
  • • Presentar formalmente el perfil ante la Dirección de Carrera de la Universidad Privada Cumbre.
¡Muchas gracias por su atención! • Sesión de Preguntas y Respuestas