Evapotranspiration in Cuba with Satellite Images MODIS 16 and Google Earth Engine

INTRODUCTION

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In Cuba, new legal standards are being developed that regulate the ownership, possession and use of agricultural and forestry land by economic actors and aspects related to sustainability indicators on the use and management of water resources have also been introduced, hence a change in the concepts of the application of irrigation based on empirical knowledge is an imperative (Funes-Monzote, 2001FUNES-MONZOTE, F.: “La agricultura cubana en camino a la sostenibilidad”, Leisa, 7: 21-23, 2001.; Pavó-Acosta & Hechavarría-Rivera, 2023PAVÓ-ACOSTA, R.; HECHAVARRÍA-RIVERA, O.: “Las mejoras o bienhechurías; nociones en la doctrina y su régimen jurídico en el ámbito del usufructo agrario en Cuba”, Revista Internacional Consinter de Direito, : 179-179, 2023, ISSN: 2183-9522.; Sierra, 2023SIERRA, J.: Camino hacia una nueva ley de tierras para Cuba, 2023.)..

Technical information needs to be provided to farmers to achieve more efficient water management and increased crop yields.

In this sense, quantifying evapotranspiration (ET) as the fundamental deficit variable in the water balance equation, is a complex process that links the global cycles of water, carbon and energy (Brust et al., 2020BRUST, C.; KIMBALL, J.; MANETA, M.; JENCSO, K.; HE, M.; REICHLE, R.: Using SMAP Level-4 Soil Moisture to Constrain Evapotranspiration Over the Contiguous USA, Remote Sensing of Environment, In Press, 2020.; 2021BRUST, C.; KIMBALL, J.S.; MANETA, M.P.; JENCSO, K.; HE, M.; REICHLE, R.H.: “Using SMAP Level-4 soil moisture to constrain MOD16 evapotranspiration over the contiguous USA”, Remote Sensing of Environment, 255: 112277, 2021, ISSN: 0034-4257.).

Because ET depends on the characteristics of the earth surface, such as the type of vegetation and soil moisture, the available thermal energy from sunlight and atmospheric weather conditions, it cannot be measured directly.

Remotely sensed observations provide several of the terrestrial and atmospheric parameters useful in estimating ET. Methodologies using satellite observations to estimate ET have been developed over the past two decades. (Frąckiewicz, 2023FRĄCKIEWICZ, M.: El papel de los satélites en el apoyo a los objetivos de desarrollo internacional, [en línea], 2023, Disponible en:https://ts2.space/es/el-papel-de-los-satelites-en-el-apoyo-a-los-objetivos-de-desarrollo-internacional/.). These ET products are used for a variety of applications, from the agricultural to the watershed scale.

On the other hand, relevant international experiences propose the use of satellites to monitor the progress of the Sustainable Development Goals of the 2030 Agenda (Banco Mundial, 2017BANCO MUNDIAL: Uso de satélites para monitorear los avances de los ODS, [en línea], Inst. Comité de Expertos sobre la Gestión Mundial de la Información Geoespacial de la ONU (UN-GGIM), 2017, Disponible en:https://www.bancomundial.org/es/news/feature/2017/08/23/using-satellites-to-monitor-progress-toward-the-sdgs.).

Target 6.4, focused on water use efficiency (6.4.1) and water scarcity (6.4.2), have used evapotranspiration for measurement of these indicators using a range of freely available remote sensing data such as MODIS, Landsat, Proba-V and Sentinel-2. (CEPAL, 2021CEPAL, N.: “Recomendaciones para la generación de estadísticas e indicadores ambientales con información geoespacial y el uso de fuentes no convencionales. Grupo de Trabajo CEA CEPAL 2020-2021”, 2021.). This constitutes an opportunity for developing countries to address the availability of geospatial information and processing possibilities for Irrigation Advisory Services (SAR).

Cisneros et al. (2004)CISNEROS-ZAYAS, Z.E.; MÉNDEZ, M.; CHONG, C.: “Nuevos enfoques sobre el riego por aspersión de baja intensidad en la agricultura cubana”, Revista Ciencias Tecnicas Agropecuarias, 13(3): 17-20, Publisher: Universidad Agraria de La Habana Fructuoso Rodríguez Pérez, 2004, ISSN: 1010-2760, e-ISSN: 2071-0054. pointed out that Cuba aspires to provide this service adapted to local conditions, concerning irrigation programming, design optimization, information dissemination and training of technicians and irrigators. Likewise, other services that are now interrogations, must be cleared by future research that enables their implementation.

After 18 years, the full implementation of this service has not yet been possible, because the SAR task is expensive and requires human and material resources due to the need for intensive monitoring in the field over large areas.

Earth observation technologies using sensors on board satellites provide images at regular intervals, which allow effective monitoring (Obasi, 2003OBASI, G.O.: “El papel de la OMM y de los Servicios Meteorológicos e Hidrológicos Nacionales en apoyo del desarrollo sostenible”, : Publisher: Organización Meteorológica Mundial, 2003, ISSN: 0250-6025.; Akiyama et al., 2022AKIYAMA, K.; ALBERDI, A.; ALEF, W.; ALGABA, J.C.; ANANTUA, R.; ASADA, K.; AZULAY, R.; BACH, U.; BACZKO, A.K.; BALL, D.: “First Sagittarius A* event horizon telescope results. II. EHT and multiwavelength observations, data processing, and calibration”, The Astrophysical Journal Letters, 930(2): L13, Publisher: IOP Publishing, 2022, ISSN: 2041-8205.). On the other hand, information technologies make it possible, for the information generated by the SAR, to reach the user quickly, smoothly and in a personalized way. The introduction of these technologies, available on the Internet and mobile telephony, can generate added value by introducing high-value employment opportunities in rural settings (Cisneros et al., 2007CISNEROS, Z.E.; LÓPEZ, S.T.; GUERRERO, P.; BONET, P.C.: Hoja de cálculo en EXCEL para la programación del riego titulada “Hoja de pronóstico”, Inst. Instituto de Inv. de Riego y Drenaje, Hoja de cálculo, La Habana, Cuba, 2007.).

The objective of this paper is related to estimation of the ET and to introduce simplified innovative solutions to the SAR for monitoring the water condition of the crops and for answering two basic questions of irrigation programming (when and how much to irrigate), trough the processing of large volumes of data information from the cloud, free software, open data, bid data and application programming interface (API). The aims are to improve irrigation system implementation and establish permanent dialogue mechanisms between farmers so that they can make better decisions regarding the irrigation management of their crops.

MATERIALS AND METHODS

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Satellite image data of evapotranspiration (ET) from MOD16A2 Version 6.1 were processed, grouped into series of 8-day averages of the dry period from November to April and the wet period from May to October, from 2018 to 2022. Geospatial information is found within the Google Earth Engine's free-to-use, public data catalogue.

MODIS 16. Evapotranspiration

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MODIS is a moderate-resolution imaging spectroradiometer aboard NASA's TERRA, AQUA Satellite platform in the public domain available on the Internet for studies of global climate change, observation of environmental impacts and changes in biodiversity (Tavana et al., 2023TAVANA, M.; MINA, H.; SANTOS-ARTEAGA, F.J.: “A general Best-Worst method considering interdependency with application to innovation and technology assessment at NASA”, Journal of Business Research, 154: 113272, 2023, ISSN: 0148-2963.).

The MOD16A2 Version 6.1 algorithm for evapotranspiration/latent heat flux is used for collection of MOD16 satellite-derived data. It is based on the logic of the Penman-Monteith Equation, which includes daily meteorological reanalysis data inputs along with Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) remote sensing data products, such as the dynamics of vegetation properties, albedo and ground cover (Modis, 2023aMODIS: MODIS/Terra Net Evapotranspiración 8-Day L4 Global 500 m SIN Grid, [en línea], 2023a, Disponible en:https://lpdaac.usgs.gov/products/mod16a2v006/.).

The validation process, carried out against 46 Eddy covariance flux towers and weather stations in 232 watersheds in the years 2000 to 2010, indicate average daily biases of -0.11 kg/m2/day and -0 .02 kg/m2/day against meteorological data.

Mean absolute errors (MAE) of 0.33 kg/m2/day (24.6%) and 0.31 kg/m2/day (24.1%), respectively, indicate that the precision of the observations is in the range from 10-30%. (Modis, 2023bMODIS: MODIS/Terra Net Evapotranspiración 8-Day L4 Global 500 m SIN Grid, Validación, [en línea], 2023b, Disponible en:https://lpdaac.usgs.gov/documents/494/MOD16_User_Guide_V6.pdf, 2023.).

Processing With Google Earth Engine

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Google Earth Engine (GEE) is a cloud computing platform linked to an open-source computing engine, designed to store and process huge data sets (at petabyte scale) for change detection, analysis, trend mapping and quantification of differences on the Earth's surface for decision making (GEE, 2023GEE: Google Earth Engine (GEE), [en línea], 2023, Disponible en:https://earthengine.google.com/.).

GEE uses techniques to average ET and other spatial data at predefined boundaries like states, counties, watersheds, irrigation districts and farmland boundaries. Spatial averages are stored in a large geodatabase that is connected to an API and open source raster and vector tile software. This framework supports rapid response to data queries, as well as spatial and temporal visualizations of ET and associated variables (e.g., NDVI, reference ET and reference ET fraction) through a data visualization application and lightweight web mapping (GEE, 2023GEE: Google Earth Engine (GEE), [en línea], 2023, Disponible en:https://earthengine.google.com/.).

For processing, the web-based IDE Code Editor was used to write and execute scripts (Figure 1).

FIGURE 1. GEE code editor.

An API developed in JavaScript (Jiménez, 2022JIMÉNEZ, G.: API desarrollada en JavaScript, [en línea], 2022, Disponible en:https://www.hidraulicafacil.com/p/extension-hf-riego.html.) was used, which was modified for the conditions of Cuba. In Figure 2, the results are shown.

FIGURE 2. JavaScript API to estimate ET for Cuban conditions.

The results are made up of Evapotranspiration images for the requested periods. In Figure 3, they are shown in the cloud.

FIGURE 3. Result of processing in Google Drive.

RESULTS AND DISCUSSION

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The greatest risks for food security are given by the alternation of dry periods (in which rainfall is insufficient to meet the water needs of crops) with other rainy periods (where over-wetting and flooding occurs) (PMA-Cuba, 2001IPF-PMA, CUBA: Análisis y Cartografía de la Vulnerabilidad a la Inseguridad Alimentaria en Cuba, Ed. Representación del Programa Mundial de Alimentos en Cuba, La Habana, Cuba, 56-59 p., 2001.). For this reason, the response capacity directly involves irrigation and drainage.

Figures 4 and 5 show the results of evapotranspiration (ET) processing (in DN. Digital image number 0-255) with 8-day averages of the dry period from November to April and the wet period from May to October, during the years from 2018 to 2022.

FIGURE 4. Average evapotranspiration (ET) every 8 days of the wet period, from May to October, since 2018 to 2022.

FIGURE 5. Average evapotranspiration (ET) every 8 days of the dry period, from November to April since 2018 to 2022.

Few works of evapotranspiration mapping using spatial remote sensing techniques are reported in Cuba. Méndez (2011)MÉNDEZ, J.A.: Contribución metodológica para la estimación de la evapotranspiración de referencia mediante técnicas de teledetección espacial y redes neuronales artificiales, Universidad Agraria de La Habana “Fructuoso Rodríguez Pérez”, Tesis presentada en opción al grado científico de Doctor en Ciencias Técnicas Agropecuarias, San José de las Lajas, La Habana, Cuba, 141 p., 2011. developed a geographic model through the direct use of the FAO-PM Equation and spatial remote sensing techniques adjusted by means of artificial neural networks, from a spatially exhaustive behavior with 86% precision and relative error of 14% for spatial resolution of 1000 m and temporal resolution of 10 days.

The results presented with spatial resolution of 500 m and temporal resolution of 8 days can be considered an advance as reported in the literature (Modis, 2023bMODIS: MODIS/Terra Net Evapotranspiración 8-Day L4 Global 500 m SIN Grid, Validación, [en línea], 2023b, Disponible en:https://lpdaac.usgs.gov/documents/494/MOD16_User_Guide_V6.pdf, 2023.), by reaching precisions between 70 -90% and mean absolute errors of 24.1%. - 24.6%.

Other Cuban authors have used different methods to map evapotranspiration such as interpolation of point data by weighted inverse distance (González & Gagua, 1979GONZÁLEZ, E.; GAGUA, G.: “Nuevo estudio sobre la evaporación en Cuba”, Voluntad Hidráulica, 51: 23-34, 1979.; Ramírez, 1989RAMÍREZ, E.: “La distribución de la evapotranspiración de referencia en Cuba”, Ciencia y Técnica en la agricultura. Riego y Drenaje, 12(1): 85-92, 1989., Solano et al., 2003SOLANO, O.; MENÉNDEZ, C.; VÁZQUEZ, R.; MENÉNDEZ, J.: “Zonificación de la evapotranspiración de referencia en Cuba”, Revista Cubana de Meteorología, : Atlas Agro meteorológico de Disponibilidades Hídricas para una Agricultura de Secano, Instituto de Meteorología., 2003, ISSN: 0864-151X.) and probabilistic or geostatistical methods such as the Kriging Method (Hernández et al., 2001HERNÁNDEZ, G.; CABRERA, R.M.; LEÓN, M.M.; ZAMORA, E.: “Distribución espacial de las necesidades del agua para el cultivo del tomate”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 10(3): 77-80, Publisher: Universidad Agraria de La Habana Fructuoso Rodríguez Pérez, 2001, ISSN: 1010-2760, e-ISSN: 2071-0054.; Zamora-Herrera & Chaterlán-Durruty, 2001ZAMORA-HERRERA, E.; CHATERLÁN-DURRUTY, Y.: “Estudios sobre evapotranspiración de referencia en Cuba”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 10(3): 87-90, Publisher: Universidad Agraria de La Habana Fructuoso Rodríguez Pérez, 2001, ISSN: 1010-2760, e-ISSN: 2071-0054.; Chaterlán-Durruthy et al., 2002CHATERLÁN-DURRUTHY, Y.; ZAMORA-HERRERA, E.; LÓPEZ, G.: “Distribución espacial de la evapotranspiración de referencia en Cuba”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 11(1): 67-70, Publisher: Universidad Agraria de La Habana Fructuoso Rodríguez Pérez, 2002, ISSN: 1010-2760, e-ISSN: 2071-0054.; González et al., 2004GONZÁLEZ, F.; LÓPEZ, T.; VÁZQUEZ, R.: “Caracterización de la variabilidad espacial de la evapotranspiración para estudios regionales de manejo de recursos hídricos”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 13(2): 47-49, Publisher: Universidad Agraria de La Habana Fructuoso Rodríguez Pérez, 2004, ISSN: 1010-2760, e-ISSN: 2071-0054.; Méndez et al., 2008MÉNDEZ, J.A.; SOLANO, O.; RUISECO, D.; GONZÁLEZ, F.: “Análisis espacio-temporal de la evapotranspiración de referencia ETo en Cuba”, 26(1): Publisher: Jornal SELPER International. Sociedad Latino Americana de Percepción Remota Satelital. Editorial SELPER PRODITEL. Universidad Nacional de Lujan. Buenos Aires Argentina, 2008, ISSN: 0717-2915.). The results, in general, follow the patterns presented in this paper.

CONCLUSIONS

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The first results in Cuba of the processing of satellite images of evapotranspiration using the MODIS 16 radiometric product are presented.
The information generated is the starting point for scheduling irrigation and the way to start the irrigation forecast and monitor the water situation of the crops.
The premises are established to create dialogue mechanisms between farmers, so that they can make better decisions regarding the irrigation management of their crops.
The introduction of these technologies will have an impact on saving water and energy resources and contribute to the sustainability of the use and management of water resources.

REFERENCES

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INTRODUCCIÓN

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En Cuba con la implementación de las nuevas normas jurídicas que regulan el régimen de propiedad, posesión y uso de las tierras agropecuarias y forestales por los actores económicos y la introducción de aspectos referidos a los indicadores de sostenibilidad sobre el uso y manejo de los recursos hídricos, es imperante un cambio de los conceptos de la aplicación del riego basado en el conocimiento empírico (Funes-Monzote, 2001FUNES-MONZOTE, F.: “La agricultura cubana en camino a la sostenibilidad”, Leisa, 7: 21-23, 2001.; Pavó-Acosta y Hechavarría-Rivera, 2023PAVÓ-ACOSTA, R.; HECHAVARRÍA-RIVERA, O.: “Las mejoras o bienhechurías; nociones en la doctrina y su régimen jurídico en el ámbito del usufructo agrario en Cuba”, Revista Internacional Consinter de Direito, : 179-179, 2023, ISSN: 2183-9522.; Sierra, 2023SIERRA, J.: Camino hacia una nueva ley de tierras para Cuba, 2023.).

Se necesita proporcionar a los agricultores información técnica para lograr un manejo más eficiente del agua y un aumento del rendimiento de los cultivos.

En este sentido cuantificar la evapotranspiración (ET) como la variable fundamental de déficit en la ecuación de balance hídrico es un proceso complejo que vincula los ciclos globales de agua, carbono y energía (Brust et al., 2020BRUST, C.; KIMBALL, J.; MANETA, M.; JENCSO, K.; HE, M.; REICHLE, R.: Using SMAP Level-4 Soil Moisture to Constrain Evapotranspiration Over the Contiguous USA, Remote Sensing of Environment, In Press, 2020.; 2021BRUST, C.; KIMBALL, J.S.; MANETA, M.P.; JENCSO, K.; HE, M.; REICHLE, R.H.: “Using SMAP Level-4 soil moisture to constrain MOD16 evapotranspiration over the contiguous USA”, Remote Sensing of Environment, 255: 112277, 2021, ISSN: 0034-4257.).

Debido a que la ET depende de las características de la superficie terrestre, como el tipo de vegetación y la humedad del suelo, la energía térmica disponible de la luz solar y las condiciones climáticas atmosféricas; no es posible medirla directamente.

Las observaciones de teledetección proporcionan varios de los parámetros terrestres y atmosféricos útiles para estimar la ET. Se han desarrollado metodologías utilizando observaciones satelitales para estimar la ET durante las últimas dos décadas. (Frąckiewicz, 2023FRĄCKIEWICZ, M.: El papel de los satélites en el apoyo a los objetivos de desarrollo internacional, [en línea], 2023, Disponible en:https://ts2.space/es/el-papel-de-los-satelites-en-el-apoyo-a-los-objetivos-de-desarrollo-internacional/.). Estos productos ET se utilizan para una variedad de aplicaciones, desde la escala agrícola hasta la escala de cuencas hidrográficas.

Experiencias internacionales relevantes proponen uso de satélites para monitorear los avances de los Objetivos de Desarrollo Sostenible de la Agenda 2030 (Banco Mundial, 2017BANCO MUNDIAL: Uso de satélites para monitorear los avances de los ODS, [en línea], Inst. Comité de Expertos sobre la Gestión Mundial de la Información Geoespacial de la ONU (UN-GGIM), 2017, Disponible en:https://www.bancomundial.org/es/news/feature/2017/08/23/using-satellites-to-monitor-progress-toward-the-sdgs.).

La Meta 6.4 centrada en el uso eficiente del agua (6.4.1) y escasez de agua (6.4.2) han utilizado la evapotranspiración para la medición de estos indicadores usando una gama de datos de teledetección que están disponibles gratuitamente, como MODIS, Landsat, Proba-V y Sentinel-2 (CEPAL, 2021CEPAL, N.: “Recomendaciones para la generación de estadísticas e indicadores ambientales con información geoespacial y el uso de fuentes no convencionales. Grupo de Trabajo CEA CEPAL 2020-2021”, 2021.). Esto constituye una oportunidad para países en vías de desarrollo de suplir la disponibilidad de información geoespacial y posibilidades de procesamiento para los servicios de asesoramiento al regante (SAR).

Cisneros et al. (2004)CISNEROS-ZAYAS, Z.E.; MÉNDEZ, M.; CHONG, C.: “Nuevos enfoques sobre el riego por aspersión de baja intensidad en la agricultura cubana”, Revista Ciencias Tecnicas Agropecuarias, 13(3): 17-20, Publisher: Universidad Agraria de La Habana Fructuoso Rodríguez Pérez, 2004, ISSN: 1010-2760, e-ISSN: 2071-0054. señalaba que Cuba aspira a prestar este servicio adaptado a las condiciones locales, en los aspectos concernientes a la programación de los riegos, optimización del diseño, la divulgación de información, la capacitación de técnicos y regantes, así como otros servicios que son ahora interrogantes, que deben ser despejados por investigaciones futuras que posibiliten su implementación.

Ha pasado ya 18 años y no ha sido posible la implementación total de este servicio, porque la tarea del SAR es costosa y requiere de recursos humanos y materiales por la necesidad de un seguimiento intensivo en el campo en áreas extensas.

Las tecnologías de observación de la Tierra mediante sensores a bordo de satélites, proporcionan imágenes a intervalos regulares, que permiten hacer efectivo ese seguimiento (Obasi, 2003OBASI, G.O.: “El papel de la OMM y de los Servicios Meteorológicos e Hidrológicos Nacionales en apoyo del desarrollo sostenible”, : Publisher: Organización Meteorológica Mundial, 2003, ISSN: 0250-6025.; Akiyama et al., 2022AKIYAMA, K.; ALBERDI, A.; ALEF, W.; ALGABA, J.C.; ANANTUA, R.; ASADA, K.; AZULAY, R.; BACH, U.; BACZKO, A.K.; BALL, D.: “First Sagittarius A* event horizon telescope results. II. EHT and multiwavelength observations, data processing, and calibration”, The Astrophysical Journal Letters, 930(2): L13, Publisher: IOP Publishing, 2022, ISSN: 2041-8205.). Por otra parte, las tecnologías de la información posibilitan que la información generada por el SAR llegue al usuario de forma rápida, fluida y personalizada. La introducción de estas tecnologías, disponibles en la Internet y telefonía móvil, puede generar valor añadido al introducir oportunidades de empleo en entornos rurales (Cisneros et al., 2007CISNEROS, Z.E.; LÓPEZ, S.T.; GUERRERO, P.; BONET, P.C.: Hoja de cálculo en EXCEL para la programación del riego titulada “Hoja de pronóstico”, Inst. Instituto de Inv. de Riego y Drenaje, Hoja de cálculo, La Habana, Cuba, 2007.).

El objetivo de este trabajo va encamado a la determinación de la ET e introducir soluciones innovadoras simplificadas a los SAR para monitorear la situación hídrica de los cultivos y responder dos preguntas básicas de la programación del riego: ¿cuándo y cuánto regar? mediante el procesamiento de grandes volúmenes de información de datos en la nube, software libre, open data, bid data e interfaz de programación de aplicaciones (API) orientadas a mejorar las limitaciones de la implementación y establecer mecanismos de diálogo permanente entre los agricultores para que estos puedan tomar mejores decisiones respecto a la gestión de regadío de sus cultivos.

MATERIALES Y MÉTODOS

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Para este trabajo se procesaron imágenes satelitales de MOD16A2 versión 6.1 de evapotranspiración (ET), promedios de 8 días del periodo seco de noviembre a abril y del periodo húmedo de mayo a octubre de los años 2018 al 2022.

La información geoespacial se encuentra dentro del catálogo de datos públicos y de uso gratuito del Google Earth Engine.

MODIS 16. Evapotranspiración

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MODIS es un espectrorradiómetro de imágenes de moderada resolución a bordo de la plataforma Satelital TERRA, AQUA de la NASA de dominio público disponible en Internet para los estudios del cambio climático global, la observación de los impactos ambientales y cambios en la biodiversidad (Tavana et al., 2023TAVANA, M.; MINA, H.; SANTOS-ARTEAGA, F.J.: “A general Best-Worst method considering interdependency with application to innovation and technology assessment at NASA”, Journal of Business Research, 154: 113272, 2023, ISSN: 0148-2963.).

El algoritmo MOD16A2 versión 6.1 de evapotranspiración/flujo de calor latente, utilizado para la recopilación de productos de datos MOD16 se basa en la lógica de la ecuación de Penman-Monteith, que incluye entradas de datos de reanálisis meteorológico diario de conjunto con productos de datos de detección remota del espectrorradiómetro de imágenes de resolución moderada (MODIS), como la dinámica de las propiedades de la vegetación, el albedo, y cobertura del suelo (Modis, 2023aMODIS: MODIS/Terra Net Evapotranspiración 8-Day L4 Global 500 m SIN Grid, [en línea], 2023a, Disponible en:https://lpdaac.usgs.gov/products/mod16a2v006/.).

El proceso de validación realizado contra 46 Torres de Flujo de covarianza de remolinos (Eddy covariance flux towers) y estaciones meteorológicas en 232 cuencas hidrográficas en los años 2000 al 2010 indican sesgos diarios promedio de -0,11 kg/m²/día y -0,02 kg/m²/día contra datos meteorológicos. Con errores absolutos medios (MAE) de 0,33 kg/m²/día (24,6%) y 0,31 kg/m²/día (24,1 %) respectivamente, indicando que la precisión de las observaciones está en el rango de 10-30% (Modis, 2023bMODIS: MODIS/Terra Net Evapotranspiración 8-Day L4 Global 500 m SIN Grid, Validación, [en línea], 2023b, Disponible en:https://lpdaac.usgs.gov/documents/494/MOD16_User_Guide_V6.pdf, 2023.).

Procesamiento con Google Earth Engine

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Google Earth Engine (GEE) es una plataforma de computación en la nube vinculada con un motor informático para uso de código abierto, diseñada para almacenar y procesar enormes conjuntos de datos (a escala de petabytes) para detectar cambios, análisis, mapear tendencias y cuantificar diferencias en la superficie de la Tierra para la toma de decisiones (GEE, 2023GEE: Google Earth Engine (GEE), [en línea], 2023, Disponible en:https://earthengine.google.com/.).

GEE utiliza técnicas para promediar la ET y otros datos espaciales en límites predefinidos (como, estados, condados, cuencas hidrográficas, distritos de riego, límites de campos agrícolas). Los promedios espaciales se almacenan en una gran geodatabase que está conectada a una API y a un software de teselas vectoriales y ráster de código abierto. Este marco admite una respuesta rápida a consultas de datos, así como visualizaciones espaciales y temporales de ET y variables asociadas (p. ej., NDVI, ET de referencia, fracción de ET de referencia) a través de una aplicación de visualización de datos y mapeo en una web liviana (GEE, 2023GEE: Google Earth Engine (GEE), [en línea], 2023, Disponible en:https://earthengine.google.com/.).

Para el procesamiento se utilizó el Editor de código basado en web para escribir y ejecutar scripts (Figura 1).

FIGURA 1. Editor de códigos de GEE.

Se utilizó una API desarrollada en JavaScript según Jiménez (2022)JIMÉNEZ, G.: API desarrollada en JavaScript, [en línea], 2022, Disponible en:https://www.hidraulicafacil.com/p/extension-hf-riego.html. la cual fue modificada para las condiciones de Cuba, en la Figura 2 se muestran los resultados.

FIGURA 2. API en JavaScript para estimar la ET para las condiciones de Cuba.

Los resultados lo constituyen imágenes de Evapotranspiración para los periodos solicitados, en la Figura 3 se muestran en la nube.

FIGURA 3. Resultado del procesamiento en Google Drive.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

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Los mayores riesgos para la seguridad alimentaria están dados por la alternancia de períodos de secos (en que las precipitaciones son insuficientes para satisfacer las necesidades hídricas de los cultivos) con otros lluviosos (donde se produce sobre humedecimiento e inundación) (IPF-PMA, Cuba, 2001IPF-PMA, CUBA: Análisis y Cartografía de la Vulnerabilidad a la Inseguridad Alimentaria en Cuba, Ed. Representación del Programa Mundial de Alimentos en Cuba, La Habana, Cuba, 56-59 p., 2001.). Por esto, la capacidad de respuesta involucra directamente al riego y al drenaje

En las Figuras 4 y 5 se presentan los resultados del procesamiento de evapotranspiración (ET), (en DN. Número digitales de imagen 0-255) con promedios de 8 días del periodo seco de noviembre a abril y del periodo húmedo de mayo a octubre de los años 2018 al 2022.

FIGURA 4. Evapotranspiración (ET) promedio cada 8 días del periodo húmedo de mayo a octubre de los años 2018 al 2022.

FIGURA 5. Evapotranspiración (ET) promedio cada 8 días del periodo seco de noviembre a abril de los años 2018 al 2022.

En Cuba se reportan pocos trabajos de cartografía de la evapotranspiración mediante técnicas de teledetección espacial, Méndez (2011)MÉNDEZ, J.A.: Contribución metodológica para la estimación de la evapotranspiración de referencia mediante técnicas de teledetección espacial y redes neuronales artificiales, Universidad Agraria de La Habana “Fructuoso Rodríguez Pérez”, Tesis presentada en opción al grado científico de Doctor en Ciencias Técnicas Agropecuarias, San José de las Lajas, La Habana, Cuba, 141 p., 2011. desarrolló de un modelo geográfico mediante la utilización directa de la ecuación FAO-PM y técnicas de teledetección espacial ajustado por medio redes neuronales artificiales, de un comportamiento espacialmente exhaustivo con un 86% de precisión, y error relativo de un 14% para resoluciones espaciales de 1000 m y temporales de 10 días.

Los resultados presentados con resoluciones espaciales de 500 m y temporales de 8 días pueden considerarse un avance según reporta la literatura Modis (2023b)MODIS: MODIS/Terra Net Evapotranspiración 8-Day L4 Global 500 m SIN Grid, Validación, [en línea], 2023b, Disponible en:https://lpdaac.usgs.gov/documents/494/MOD16_User_Guide_V6.pdf, 2023. al alcanzar precisiones entre un 70 -90% y errores absolutos medios 24,1%. - 24,6%.

Otros autores cubanos han utilizado diferentes métodos para cartografiar la evapotranspiración como interpolación de datos puntuales por distancia inversa ponderada González y Gagua (1979)GONZÁLEZ, E.; GAGUA, G.: “Nuevo estudio sobre la evaporación en Cuba”, Voluntad Hidráulica, 51: 23-34, 1979.; Ramírez (1989)RAMÍREZ, E.: “La distribución de la evapotranspiración de referencia en Cuba”, Ciencia y Técnica en la agricultura. Riego y Drenaje, 12(1): 85-92, 1989.; Solano et al. (2003)SOLANO, O.; MENÉNDEZ, C.; VÁZQUEZ, R.; MENÉNDEZ, J.: “Zonificación de la evapotranspiración de referencia en Cuba”, Revista Cubana de Meteorología, : Atlas Agro meteorológico de Disponibilidades Hídricas para una Agricultura de Secano, Instituto de Meteorología., 2003, ISSN: 0864-151X. y métodos probabilísticos o geoestadísticos como el método del Kriging Hernández et al. (2001)HERNÁNDEZ, G.; CABRERA, R.M.; LEÓN, M.M.; ZAMORA, E.: “Distribución espacial de las necesidades del agua para el cultivo del tomate”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 10(3): 77-80, Publisher: Universidad Agraria de La Habana Fructuoso Rodríguez Pérez, 2001, ISSN: 1010-2760, e-ISSN: 2071-0054.; Zamora-Herrera y Chaterlán-Durruty (2001)ZAMORA-HERRERA, E.; CHATERLÁN-DURRUTY, Y.: “Estudios sobre evapotranspiración de referencia en Cuba”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 10(3): 87-90, Publisher: Universidad Agraria de La Habana Fructuoso Rodríguez Pérez, 2001, ISSN: 1010-2760, e-ISSN: 2071-0054.; Chaterlán-Durruthy et al. (2002)CHATERLÁN-DURRUTHY, Y.; ZAMORA-HERRERA, E.; LÓPEZ, G.: “Distribución espacial de la evapotranspiración de referencia en Cuba”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 11(1): 67-70, Publisher: Universidad Agraria de La Habana Fructuoso Rodríguez Pérez, 2002, ISSN: 1010-2760, e-ISSN: 2071-0054.; González et al. (2004)GONZÁLEZ, F.; LÓPEZ, T.; VÁZQUEZ, R.: “Caracterización de la variabilidad espacial de la evapotranspiración para estudios regionales de manejo de recursos hídricos”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 13(2): 47-49, Publisher: Universidad Agraria de La Habana Fructuoso Rodríguez Pérez, 2004, ISSN: 1010-2760, e-ISSN: 2071-0054.; Méndez et al. (2008)MÉNDEZ, J.A.; SOLANO, O.; RUISECO, D.; GONZÁLEZ, F.: “Análisis espacio-temporal de la evapotranspiración de referencia ETo en Cuba”, 26(1): Publisher: Jornal SELPER International. Sociedad Latino Americana de Percepción Remota Satelital. Editorial SELPER PRODITEL. Universidad Nacional de Lujan. Buenos Aires Argentina, 2008, ISSN: 0717-2915., los resultados en general siguen los patrones presentados por este trabajo.

CONCLUSIONES

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Se presentan los primeros resultados en Cuba del procesamiento de imágenes satelitales de evapotranspiración utilizando el producto radiométrico MODIS 16.
La información generada es el punto de partida para realizar una programación del riego y la vía para iniciar el pronóstico de riego y monitorear la situación hídrica de los cultivos.
Se establecen las premisas para establecer mecanismos de diálogo entre los agricultores para que puedan tomar mejores decisiones respecto a la gestión de regadío de sus cultivos.
La introducción de estas tecnologías va a tener un impacto en ahorro de recursos hídricos, energéticos y contribuir a la sostenibilidad del uso y manejo de los recursos hídricos.