Herramientas de corte para optimizar parámetros de clasificación de especies maderables con redes neuronales convolucionales / Cutting tools to optimize classification parameters of timber species with convolutional neural networks

Introducción: La gran diversidad de especies maderables tropicales demanda el desarrollo de nuevas tecnologías de identificación con base en sus patrones o características anatómicas. La aplicación de redes neuronales convolucionales (CNN) para el reconocimiento de especies maderables tropicales se ha incrementado en los últimos años por sus resultados prometedores. Objetivo: Evaluamos la calidad de las imágenes macroscópicas con tres herramientas de corte para mejorar la visualización y distinción de las características anatómicas en el entrenamiento del modelo CNN. Métodos: Recolectamos las muestras entre el 2020 y 2021 en áreas de explotación forestal y aserraderos de Selva Central, Perú. Luego, las dimensionamos y, previo a la identificación botánica y anatómica, las cortamos en secciones transversales. Generamos una base de datos de imágenes macroscópicas de la sección transversal de la madera, a través del corte, con tres herramientas para ver su rendimiento en el laboratorio, campo y puesto de control. Resultados: Usamos tres herramientas de corte para obtener una alta calidad de imágenes transversales de la madera; obtuvimos 3 750 imágenes macroscópicas con un microscopio portátil que corresponden a 25 especies maderables. El cuchillo ''Tramontina'' es duradero, pero pierde el filo con facilidad y se necesita una herramienta para afilar, el cúter retráctil ''Pretul'' es adecuado para madera suave y dura en muestras pequeñas de laboratorio; el cuchillo ''Ubermann'' es apropiado para el campo, laboratorio y puesto de control, porque tiene una envoltura duradera y láminas intercambiables en caso de pérdida de filo. Conclusiones: La calidad de las imágenes es decisiva en la clasificación de especies maderables, porque permite una mejor visualización y distinción de las características anatómicas en el entrenamiento con los modelos de red neuronal convolucional EfficientNet B0 y Custom Vision, lo cual se evidenció en las métricas de precisión.

Introduction: The great diversity of tropical timber species demands the development of new technologies capable of identifying them based on their patterns or anatomical characteristics. The application of convolutional neural networks (CNN) for the recognition of tropical timber species has increased in recent years due to the promising results of CNNs. Objective: To evaluate the quality of macroscopic images with three cutting tools to improve the visualization and distinction of anatomical features in the CNN model training. Methods: Samples were collected from 2020 to 2021 in areas of logging and sawmills in the Central Jungle, Peru. They were later sized and, after botanical and anatomical identification, cut in cross sections. A database of macroscopic images of the cross-section of wood was generated through cutting with three different tools and observing its performance in the laboratory, field, and checkpoint. Results: Using three cutting tools, we obtained high quality images of the cross section of wood; 3 750 macroscopic images were obtained with a portable microscope and correspond to 25 timber species. We found the ''Tramontina'' knife to be durable, however, it loses its edge easily and requires a sharpening tool, the ''Pretul'' retractable cutter is suitable for cutting soft and hard wood in small laboratory samples and finally the ''Ubermann'' knife is suitable for use in the field, laboratory, and checkpoint, because it has a durable sheath and interchangeable blades in case of dullness. Conclusion: The quality of the images is decisive in the classification of timber species, because it allows a better visualization and distinction of the anatomical characteristics in training with the EfficientNet B0 and Custom Vision convolutional neural network models, which was evidenced in the precision metrics.

Biomass allocation and gas exchange are affected by light conditions in endangered Cedrela salvadorensis (Meliaceae) seedlings / Asignación de biomasa e intercambio de gases son afectados por las condiciones de luz en plántulas de Cedrela salvadorensis (Meliaceae) en peligro de extinción

Abstract:The determination of favorable light habitat conditions per species and life stage is transcendental, for both ex situ and in situ conservation strategies of endangered forest tree species, and for their utilization as plantation trees. This becomes especially important when planting material is scarce. We studied the multivariate responses in biomass allocation and in gas exchange to light and to CO2 in Cedrela salvadorensis seedlings, grown under similar light conditions as those this species faces in nature. During a period of 135 days, groups of ten seedlings were put under 75, 45, 15 and 3.5 % of full sun exposure obtained with neutral shade cloth, under nursery conditions. A series of biomass allocation variables and detailed gas exchange parameters (photosynthesis response curves to light and to internal carbon concentration) were measured at the end of the growth period in plants of the four treatments. According to the principal component analyses, highest values of gas exchange response were associated with the lower values of biomass allocation traits. These changes can be associated with resource-conservative and resource-acquisitive strategies, where the C. salvadorensis seedlings acclimatize their traits for the exploration and exploitation of light, to high or to dim light environment, respectively. The multivariate analyses also showed that the plants had a high performance at 45 % of light environments. These results suggest that 45 % of light environment was the optimal light habitat of this species at the tested developing stage. Our results have important implications to choose the best natural habitat for a successful establishment of C. salvadorensis. We propose practical considerations for programs of reforestation or reintroduction where this species be involved. Rev. Biol. Trop. 64 (3): 1143-1154. Epub 2016 September 01.

ResumenLa determinación de las condiciones lumínicas favorables por especie y estado de vida es trascendental para las estrategias de conservación ex situ y in situ de especies de árboles en peligro de extinción, y su utilización como plantaciones forestales. Esto se vuelve especialmente importante cuando el material de siembra es escaso. Aquí, nosotros estudiamos las respuestas en asignación de biomasa y en intercambio de gases a luz y CO2 en plántulas de Cedrela salvadorensis crecidas bajo condiciones lumínicas similares a las que esta especie enfrenta en la naturaleza. Durante 135 días, grupos de diez plántulas fueron colocadas bajo condiciones de 75, 45, 15 y 3.5 % de exposición total al sol obtenidas por medio de sarán bajo condiciones de vivero. Una serie de variables de asignación de biomasa y parámetros de intercambio de gases (fotosíntesis según curvas de respuesta a la luz y a la concentración de carbono interno) fueron medidas al final del periodo de crecimiento en las plantas de los cuatro tratamientos. De acuerdo con los análisis de componentes principales, valores altos de respuesta de intercambio de gases están asociados con valores bajos de rasgos de asignación de biomasa. Los cambios observados se encuentran asociados con las estrategias recurso-conservativas y recurso-adquisitivas donde C. salvadorensis aclimata sus rasgos para la exploración y explotación de luz en ambientes con escasa o excesiva radiación lumínica, respectivamente. Los análisis multivariados muestran también que las plantas tienen un alto rendimiento a 45 % de luz ambiental. Estos resultados sugieren que el 45 % de ambiente lumínico es el hábitat lumínico óptimo de esta especie en el estado de desarrollo estudiado. Nuestros resultados tienen importantes implicaciones para escoger el mejor hábitat natural para un exitoso establecimiento de C. salvadorensis. Por esto, proponemos consideraciones prácticas para programas de reforestación y reintroducción donde esta especie estaría involucrada.

Potencialidad de Cedrela odorata (Meliaceae) para estudios dendrocronológicos en la selva central del Perú / Cedrela odorata (Meliaceae) potential for dendrochronological studies in the Selva Central of Perú

Despite the progress made during the past 20 years, searching dendrochronological potential in tropical and subtropical tree species, tropical dendrochronology, is still in a development stage. The aim of this research was to determine the potential of C. odorata for dendrochronological studies in the Selva Central of Perú. The tree-ring anatomical characteristics were carefully examined and we were able to develop a 215 year (1 795-2 009) tree-ring chronology and correlate it with precipitation records. The tree-ring chronology was developed based on 47 series of 27 trees. Tree rings are clearly delimited by large pore diameters in earlywood and small ones in latewood associated with marginal and paratracheal parenchyma. The tree-ring chronology was related to precipitation records from Satipo and significant correlations were found with the previous rainy season and late dry season of the current growth period. Moreover, we found close relationship between tree growth and total precipitations of the hydrological period (December to September) for the interval 1 990-2 009. These results demonstrate the influence of rainfall at different stages of C. odorata radial growth. The good discrimination of annual rings, strong relationship with precipitation, the wide range and longevity of trees (200 years) make C. odorata a very promising species for dendrochronological studies in tropical and subtropical forest of America.

En este trabajo determinamos el potencial de Cedrela odorata para estudios dendrocronológicos en la Selva Central del Perú. Para ello, analizamos las características anatómicas que definen los anillos de crecimiento, desarrollamos una cronología de ancho de anillos y relacionamos el crecimiento de los árboles con los registros de precipitación. La cronología de ancho de anillos está compuesta por 47 series de 27 árboles y cubre el período 1795-2009. Los anillos están claramente delimitados por porosidad semicircular, asociados a bandas de parénquima marginal y paratraqueal. El crecimiento de los árboles estuvo relacionado con las precipitaciones de la estación lluviosa previa y con las de finales de la estación seca del corriente período de crecimiento. Así mismo, observamos una estrecha relación entre el crecimiento y las precipitaciones totales, considerando el ciclo hidrológico de diciembre a setiembre, para el periodo 1990-2009. Estos resultados indican la influencia de las precipitaciones en el crecimiento radial de C. odorata. La buena discriminación de los anillos anuales, la fuerte relación con la precipitación, el amplio rango de distribución y la longevidad de los árboles, hacen de C. odorata una especie promisoria para estudios dendrocli-matológicos y dendroecológicos en los bosques tropicales y subtropicales de América.

Modelación del crecimiento de Albizia niopoides (Mimosaceae) por métodos dendrocronológicos / Growth modeling of Albizia niopoides (Mimosaceae) using dendrochronological methods

The annual growth rings in tropical trees are fairly common, but their study is relatively recent. Growth rings were found in trees of Albizia niopoides from the Porce River Canyon, Central Cordillera of the Colombian Andes. A total of 33 cross-sections were collected from trees distributed throughout the study area from 664-870masl. Cross-dating, spaguetti plot and 14C analyses were used to demonstrate ring annuality, assuming as hypothesis that these are real annual growth rings. A combination of descriptive analysis of time series (smoothing and prewhitening) to filter climate noise and nonlinear regression with weighted residuals was used to fit the diameter to Korf´s growth model, in which the coefficient of determination reaches values close to 100%. The positive residual autocorrelation of order 1, although not significant, is explained by the existence of energy reserves in the stem and by the accumulation of diameter increments required for the construction of the diameter growth model. The current and mean annual maximum increment rates are 1.03 and 0.94cm/year at ages 18 and 46 years old, respectively. These trees are classified within the group of fast growing species which can reach a cut diameter of over 50cm in approximately 52 years.

El crecimiento anual de los anillos en los árboles de los bosques tropicales es bastante frecuente y se evidenció en los árboles de Albizia niopoides, que crecen en el cañón del río Porce, cordillera Central de los Andes colombianos. Se recolectaron 33 secciones transversales de árboles entre 664-870msnm, cortadas a partir de 1.3m de altura del suelo. La hipótesis sobre una periodicidad anual en los anillos fue demostrada mediante cofechado, spaguetti plots y análisis de C14. Para ajustar el diámetro al modelo de crecimiento de Korf se empleó una combinación de análisis descriptivo de series de tiempo (suavizado y pre-whitening); para filtrar el ruido climático y regresión no lineal con residuales ponderados, se alcanzó un coeficiente de determinación cercano al 100%. A pesar de no ser significativa, la autocorrelación serial positiva de orden 1, se explica por la existencia de reservas de energía en el tronco y por la acumulación de los incrementos del diámetro requeridos para la construcción del modelo de crecimiento. Las tasas de crecimiento corriente y medio máximos fueron 1.03 y 0.94cm/año a las edades de 18 y 46 años, respectivamente. Albizia niopoides se clasifica dentro del grupo de rápido crecimiento, las cuales pueden alcanzar diámetros de corta de más de 50cm en aproximadamente 52 años.

Estudio del crecimiento de Prioria copaifera (Caesalpinaceae) mediante técnicas dendrocronológicas

A growth study of Prioria copaifera (Caesalpinaceae) using dendrochronological techniques. The Cativo (Prioria copaifera) forms very homogeneous forests called cativales in the flooded plains of some rivers from Costa Rica to Colombia. For over 70 years Cativo has been the main base of the timber industry in the Colombian Darien area. Because of high productivity and high-dominance of Cativo trees, they represent one of the most prone tropical forests for sustainable forest management. The objective of this research is to model diameter and timber volume growth and growth rates (absolute, mean and relative) of Cativo as a function of age, using tree ring data derived from dendrochronologycal techniques. We evaluated the annual nature of the tree rings by radiocarbon analysis and crossdating techniques. Besides, the diameter and volume growth was modeled using von Bertalanffy’s model. As of our results, we estimated the life span of Cativo in 614 years as the time required to reach 99% of the asymptotic diameter. By the mean value we have found that the mean rate of diameter growth is 0.31cm/y. The species requires 90 years to reach 40cm in diameter, the regulated cut diameter in Colombia. We find that Cativo reaches maximum current annual increment (ICA) in diameter at 40 years and in volume at 90 years with rates of 0.5cm/y and 0.032m3/y per tree, respectively. The maximum diameter mean annual increments (MAI) are achieved at 80 years and for the volume at 140 year, with growth rates of 0.45cm/y and 0.018m3/y per tree, respectively. The generated information is useful for the sustainable management of Cativo forests. Rev. Biol. Trop. 59 (4): 1813-1831. Epub 2011 December 01.

El cativo (Prioria copaifera G.) forma bosques dominados por la especie llamados cativales. Durante más de 70 años el cativo ha sido la base principal de la industria maderera en el Darién colombiano, siendo, por su alta productividad y dominancia uno de los bosques tropicales más fáciles de ordenar sosteniblemente. El propósito de esta investigación es modelar el crecimiento del diámetro y el volumen del cativo en función de la edad así como las tasas instantáneas, medias y relativas, empleando anillos de crecimiento. La anualidad de los anillos se demostró usando el efecto de las bombas nucleares y mediante cofechado. Con base en los anillos de crecimiento radiales se modelo el crecimiento del diámetro y del volumen. Esta especie alcanza 40cm de diámetro en 90 años y presenta crecimiento medio de 0.31cm/año. El lapso vital de la especie es de aproximadamente 614 años. El incremento corriente anual máximo del volumen a los 90 años es 0.033m3/año, e iguala al incremento medio a los 145 años con 0.018m3/año. La tasa media de crecimiento absoluta es 0.021m3/año. Los resultados aquí obtenidos sirven como base técnica para el manejo sostenible de los cativales.

Recuperación de la biomasa mediante la sucesión secundaria, Cordillera Central de los Andes, Colombia

Biomass recovery through secondary succession in the Cordillera Central de los Andes, Colombia. Estimations on biomass recovery rates by secondary tropical forests are needed to understand the complex tropical succession, and their importance on CO2 capture, to offset the warming of the planet. We conducted the study in the Porce River Canyon between 550 and 1 700m.a.s.l. covering tropical and premontane moist belts. We established 33 temporary plots of 50mx20m in secondary forests, including fallows to succesional forests, and ranging between 3 and 36 years old; we measured the diameter at breast height (D) of all woody plants with D≥5cm. In each one of these plots we established five 10mx10m subplots, in which we measured the diameter betweem 1cm≤D<5cm of all woody plants. We estimated the biomass of pastures by harvesting 54 plots of 2mx2m, and of shrubs in the fallows by harvesting the biomass in 18 plots of 5mx2m. We modeled Bav (above ground live biomass of woody plants) and Brg (coarse root biomass) as a function of succesional age (t) with the growth model of von Bertalanffy, using 247t/ha and 66t/ha as asymptote, respectively. Besides, we modeled the ratios brg/bav=f(D) and Brg/Bav=f(t). The model estimated that 87 years are required to recover the existing Bav of primary forests through secondary succession, and 217 years for the Brg of the primary forest. The maximum instantaneous growth rate of the Bav was 6.95 t/ha/yr at age 10. The maximum average growth rate of the Bav was 6.26 t/ha/yr at age 17. The weighted average of the absolute growth rate of the Bav reached 4.57t/ha/yr and the relative growth rate 10% annually. The ratio brg/bav decreases with increasing D. The ratio Brg/Bav initially increases very rapidly until age 5 (25%), then decreases to reach 25 years (18%) and increases afterwards until the ratio reaches the asymptote (26.7%). Rev. Biol. Trop. 59 (3):1337-1358. Epub 2011 September 01.

En bosques secundarios premontanos tropicales es escasa la información sobre el tiempo requerido para recuperar la biomasa aérea y subterránea de los primarios. Por lo tanto, establecimos 33 parcelas de 0.1ha entre 550 y 1 700m en bosques secundarios que cubrían estadios serales de 3 a 36 años y estimamos la biomasa de las plantas y de las raíces gruesas con ecuaciones locales. Así como la biomasa de las pasturas y barbechos por cosecha de 54 y 18 parcelas, respectivamente. También se calculó la edad de las parcelas con informantes locales, sensores remotos, C14 y anillos de crecimiento. En cada parcela medimos la biomasa aérea viva por hectárea (Bav) y la de las raíces gruesas por hectárea (Brg). Modelamos la Bav y Brg en función de la edad mediante la ecuación de von Bertalanfy con asíntotas de 247t/ha (Bav) y 66t/ha (Brg) resultantes de la medición de 33 parcelas de 0.1ha en los bosques primarios. Con la razón Brg/Bav=f(t) estimamos 87 años para que los bosques secundarios recuperen la Bav existente en los primarios y 217 años para recuperar la Brg. La tasa máxima de crecimiento instantáneo de la Bav fue 6.95t/ha/año a los 10 años y la tasa media máxima de crecimiento 6.26t/ha/año a los 17 años. La media ponderada de la tasa de crecimiento absoluto de la Bav alcanzó 4.57t/ha/año y la relativa 10% anual. La razón Brg/Bav inicialmente aumenta muy aceleradamente hasta 4-5 años (25%), luego disminuye hasta 25 años (18%) para luego incrementar hasta 26.7.

Paleoclima de La Guajira, Colombia; según los anillos de crecimiento de Capparis odoratissima (Capparidaceae)

Paleoclimate of La Guajira, Colombia; by the growth rings of Capparis odoratissima (Capparidaceae). There is great concern about the effect of climate change in arid and subarid areas of the tropics. Climate change combined with other anthropogenic activities such as deforestation, fires and overgrazing can accelerate their degradation and, consequently, the increases in losses of biological and economic productivity. Climate models, both local and global, predict that rainfall in the arid Peninsula of La Guajira in the Colombian Caribbean would be reduced and temperature would be increased as a result of climate change. However, as there are only suitable climate records since 1972, it is not possible to verify if, indeed, this is happening. To try to verify the hypothesis of reducing rainfall and rising temperatures we developed a growth ring chronology of Capparis odoratissima in the Middle Peninsula of La Guajira with 17 trees and 45 series which attain 48 years back. We use standard dendrochronological methods that showed statistically significant linear relationship with local climatic variables such as air temperature, sea surface temperature (SST), annual precipitation and wind speed; we also reach to successful relationship of the chronology with global climatic variables as the indices SOI and MEI of the ENSO phenomenon. The transfer functions estimated with the time series (1955 and 2003) do not showed statistically significant trends, indicating that during this period of time the annual precipitation or temperatures have not changed. The annual nature of C. odoratissima growth rings, the possibility of cross-dated among the samples of this species, and the high correlation with local and global climatic variables indicate a high potential of this species for dendrochronological studies in this part of the American continent. Rev. Biol. Trop. 59 (3): 1389-1405. Epub 2011 September 01.

gran preocupación por el efecto del cambio climático en las regiones áridas y semi-áridas tropicales. Los modelos climáticos tanto locales como globales predicen que la precipitación pluvial de la árida Península de La Guajira en el Caribe colombiano se reduciría, y las temperaturas tanto del aire como superficial del mar aumentarían como consecuencia del cambio climático. Para tratar de verificar estas hipótesis construimos una cronología del ancho de los anillos de crecimiento de Capparis odoratissima en la Media Península de La Guajira. La cronología mostró relaciones lineales estadísticamente significativas con las variables climáticas locales: temperatura del aire, temperatura superficial del mar (TSM), precipitación anual, velocidad del viento y variables climáticas del fenómeno ENSO (índices SOI y MEI). Las series de tiempo que calculamos mediante la función de transferencia entre 1955 y 2003, no mostraron tendencias estadísticamente significativas que demostraran que en ese período de tiempo la precipitación anual o las temperaturas han cambiado. La naturaleza anual de los anillos de crecimiento de C. odoratissima, la posibilidad de realizar datación cruzada entre muestras de esta especie y la alta correlación con las variables climáticas locales y globales, señalan un alto potencial de esta especie para realizar estudios dendrocronológicos en esta parte del continente americano.

Fenología reproductiva de las especies arbóreas del bosque tropical de Tenosique, Tabasco, México

Reproductive phenology of tree species in the Tenosique tropical forest, Tabasco, Mexico. Between August 2003 and August 2005 we registered the flowering and fruiting of 75 tree species (341 individual trees) in a tropical rain forest at Tenosique, Tabasco, Mexico. Monthly we checked five transects (500 m long; 5 m wide). To test the homogeneity of flowering and fruiting during the year, and between adjacent months, we applied a X² test. The flowering was bimodal, with a highest peak in March and April, coinciding with the dry season, and a second lower peak in July when precipitation is relatively low. The highest number of fruiting tree species occur between May and July, with its peak in May. Each of the most common botanical families showed a particular phenological pattern. Monthly rainfall and the number of species flowering or fruiting were not significantly correlated. This means that trees are flowering and fruiting all year long, with seasonal increases of both phenological phenomena in the dryer periods. We conclude that phenological patterns vary between individuals and between years and are not seasonally correlated. The data we generated are relevant to program the best periods of seed collections according to individual or groups of species, as part of forest management and conservation practices. Rev. Biol. Trop. 56 (2): 657-673. Epub 2008 June 30.

La fenología de 341 árboles que corresponden a 75 especies fue estudiada en las montañas de Tenosique, Tabasco, entre agosto del 2003 hasta agosto del 2005. Para ello, se establecieron cinco transectos de 500 m de largo por cinco metros de ancho, los cuales se evaluaron mensualmente. Si alguno de los individuos de las especies tenía flores o frutos, la especie como un todo fue considerada en floración o fructificación en ese mes. Se aplicaron pruebas de homogeneidad de ji-cuadrada para evaluar la homogeneidad de la floración y fructificación a lo largo del año y por periodos bimensuales. La floración fue bimodal, con un pico de mayor floración de marzo a abril que corresponde a menor precipitación. En julio se presentó un segundo pico de floración con 21 especies, correspondiendo igualmente a un decremento de la precipitación. El mayor número de especies con fruto se presentó entre mayo y junio, el cual no fue significativo estadísticamente. También se analizan los patrones fenológicos de las familias con mayor número de especies, los cuales difirieron entre sí. No se encontró relación entre el número de especies floreciendo o fructificando y la precipitación promedio mensual. Se encontraron picos fenológicos poco marcados debido a que en la zona de estudio la estacionalidad es poco marcada. Los patrones fenológicos varían dentro de una especie, entre años y entre localidades. Los datos que se aportan en el presente trabajo son relevantes para definir los periodos apropiados de recolecta de semillas para la realización de prácticas de manejo y conservación.