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Evaluating Human Thermal Comfort Impact of Urban Tree Pruning through Solar Radiation Simulation using Quantitative Structure Model

Este estudio propone un flujo de trabajo automatizado que integra el escaneo LiDAR terrestre, modelos de estructura cuantitativa y simulaciones de radiación solar para cuantificar cómo la poda de árboles urbanos altera la estructura del dosel y, posteriormente, impacta el confort térmico humano, medido mediante la Temperatura Equivalente Fisiológica (PET).

Autores originales: SZU-YI LEE, CHI-KUEI WANG, CHUNG-CHENG LEE, TZU-PING LIN

Publicado 2026-10-27

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CC BY 4.0

Autores originales: SZU-YI LEE, CHI-KUEI WANG, CHUNG-CHENG LEE, TZU-PING LIN

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

En el sofocante calor de un verano urbano, la diferencia entre una acera abrasadora y un camino fresco y transitable a menudo depende de los árboles que se encuentran arriba. Los bosques urbanos actúan como aires acondicionados naturales, no solo liberando humedad en el aire, sino principalmente proyectando sombras que bloquean la intensa energía del sol. La eficacia de este enfriamiento depende en gran medida de la estructura del árbol: un dosel denso con un follaje espeso intercepta más luz solar, manteniendo el suelo debajo significientemente más fresco. Sin embargo, los árboles de la ciudad requieren mantenimiento. Para mantenerlos seguros ante la caída de ramas y para mantener líneas de visión despejadas para los peatones, los arboristas deben podarlos regularmente. Este trabajo necesario elimina inevitablemente hojas y ramas, adelgazando el dosel. La pregunta crítica para los planificadores urbanos y los residentes es un delicado equilibrio: ¿cuánto se puede recortar un árbol para garantizar la seguridad sin despojarlo de la sombra misma que hace que la calle sea cómoda para caminar?

Un equipo de investigadores de la Universidad Nacional de Cheng Kung en Taiwán se propuso responder a esta pregunta con un nivel de precisión que los métodos tradicionales no podían proporcionar. En lugar de depender de estimaciones aproximadas o de asumir que la sombra es uniforme bajo un árbol, crearon un gemelo digital de un árbol de la lluvia real para simular exactamente cómo diferentes estilos de poda alterarían la luz solar que llega al suelo. Comenzaron escaneando un árbol de la lluvia maduro ubicado en su campus con un escáner láser móvil. Este dispositivo, transportado alrededor del árbol, capturó millones de puntos para crear un mapa tridimensional altamente detallado de cada tronco, rama y hoja. Utilizando estos datos, el equipo construyó un modelo de estructura cuantitativa, una representación informática que trata la madera del árbol como una serie de cilindros conectados, reflejando con precisión su forma y volumen reales.

Con este árbol digital en mano, los investigadores desarrollaron un sistema automatizado para simular varios escenarios de poda basados en reglas de seguridad del mundo real. Programaron la computadora para eliminar las ramas que crecían demasiado empinadas o de manera desigual, lo que podría representar un riesgo de caída, asegurando al mismo tiempo que el árbol conservara suficiente madera para mantenerse sano. Probaron seis intensidades de poda diferentes, que iban desde un recorte ligero que mantenía el 93% de la madera del árbol hasta un corte más pesado que dejaba solo el 80%. Para cada escenario, ejecutaron una simulación de radiación solar, modelando la trayectoria del sol en el día más caluroso del año para ver exactamente cuánta luz penetraría el dosel y golpearía el suelo debajo. Luego, tradujeron estas mediciones de luz en una métrica de confort humano, calculando cuánto más fresca se sentiría una persona bajo cada versión del árbol en comparación con estar bajo el sol abierto.

Los resultados revelaron un compromiso claro y mensurable entre la poda de seguridad y el confort térmico. El árbol original, sin podar, proporcionaba un efecto de enfriamiento significativo, reduciendo la temperatura percibida para cualquier persona que estuviera debajo en 4,1 grados Celsius en comparación con un área sin sombra. Cuando los investigadores aplicaron un estilo de poda moderada que mantenía la forma cónica natural del árbol, el beneficio de enfriamiento disminuyó ligeramente a entre 3,1 y 3,4 grados Celsius. Esto sugiere que una poda ligera que preserve la forma es una opción viable que mantiene la mayor parte de los beneficios de confort del árbol. Sin embargo, a medida que la poda se volvía más agresiva para equilibrar las ramas o eliminar más madera, el efecto de enfriamiento disminuía notablemente. En los escenarios de poda más intensa, donde el árbol conservaba solo el 80% de su volumen de madera original, la reducción de temperatura cayó a solo 2,3 grados Celsius. Esto representa una pérdida de casi la mitad de la capacidad de enfriamiento original del árbol.

El estudio subraya que, si bien la poda es esencial para la seguridad urbana, la intensidad del corte dicta directamente la calidad de la sombra. Los investigadores descubrieron que incluso cuando la poda se realiza cuidadosamente para preservar la salud del árbol, eliminar demasiado dosel puede degradar significativamente el microclima para los peatones. Su trabajo demuestra que los gestores de las ciudades pueden utilizar estas herramientas digitales para predecir exactamente cuánto enfriamiento perderá un árbol antes de cortar una sola rama. Al simular diferentes resultados, pueden elegir estrategias de poda que mantengan los árboles seguros sin sacrificar el vital confort térmico que hace que las calles urbanas sean habitables ante el calor. Los hallazgos sugieren que el mejor enfoque es priorizar primero la seguridad estructural, pero luego sopesar cuidadosamente la cantidad específica de madera a eliminar frente a la pérdida resultante en el enfriamiento, asegurando que el árbol siga siendo una parte funcional del sistema de control climático de la ciudad.

Resumen Técnico: Evaluación del impacto de la poda de árboles urbanos en el confort térmico humano mediante simulación de radiación solar utilizando modelos de estructura cuantitativa

Planteamiento del problema
Los árboles urbanos son fundamentales para mitigar el estrés térmico mediante el sombreado, la evapotranspiración y la regulación del flujo de aire. Sin embargo, los beneficios de enfriamiento de estos árboles dependen en gran medida de la estructura de la copa, específicamente del Índice de Área Foliar (LAI). Si bien la poda es una práctica estándar de gestión urbana para garantizar la seguridad, reducir los riesgos de cortavientos y mejorar la estética, inevitablemente altera la cobertura de la copa y reduce la calidad del sombreado. La literatura existente aborda insuficientemente el impacto específico de la poda en el confort térmico humano. Los enfoques de simulación actuales suelen basarse en modelos simplificados que asumen un enfriamiento uniforme bajo las copas de los árboles, sin capturar las variaciones espaciales en la radiación solar que ocurren tras intervenciones de poda específicas. En consecuencia, existe una falta de métodos sistemáticos para evaluar cómo las variaciones en la intensidad de la poda influyen en el confort térmico al aire libre.

Metodología
Este estudio propone un flujo de trabajo automatizado que integra el Escaneo Láser Terrestre (TLS), Modelos de Estructura Cuantitativa (QSM) y la simulación de radiación solar para evaluar los impactos de la poda en el confort térmico.

Adquisición y Clasificación de Datos: Se escaneó un árbol de lluvia maduro (Samanea saman) en Tainan, Taiwán, utilizando un sistema de LiDAR móvil Emesent Hovermap ST-X. La nube de puntos resultante se clasificó en puntos de "madera" y "hojas" mediante un algoritmo de Bosque Aleatorio (RF) basado en características geométricas.
Reconstrucción QSM: La nube de puntos de madera se reconstruyó en un QSM 3D utilizando el algoritmo de código abierto TreeQSM. El modelo constó de 2,737 cilindros que representan el tronco y las ramas, con un volumen de madera reconstruido total de 74.9018 m³.
Simulación de Poda Automatizada: Se desarrolló un procedimiento de poda automatizado para operar directamente sobre el QSM, restringido por tres principios derivados de la literatura de seguridad estructural (Mattheck et al., 2015):
- Ángulo de la Copa Cónica: Retención de ramas dentro de una forma cónica definida (probada con semiángulos de 45°, 50°, 55° y 60°).
- Distribución Uniforme de Ramas: Equilibrio del volumen de madera entre cuatro cuadrantes (NE, NO, SE, SO) para evitar desequilibrios direccionales.
- Ángulo de Inclinación de las Ramas: Eliminación de ramas con una inclinación superior a 45° respecto al tronco principal para mitigar riesgos de caída.
Se generaron seis escenarios de poda (Configuraciones A, B, A-1, A-2, B-1, B-2) con niveles de retención de volumen de madera que oscilan entre el 80% y el 93.1%. Se aplicó un límite de poda conservador del 20% (reteniendo al menos el 80% del volumen de madera) para alinearse con las directrices de salud arbórea.
Reconstrucción del Follaje y Simulación de Radiación: Los puntos de las hojas asociados con los cilindros retenidos se preservaron y se convirtieron en elementos volumétricos cúbicos de 0.1 m para aproximar la opacidad de la copa. Las simulaciones de radiación solar se realizaron utilizando Grasshopper y el plugin Ladybug para Rhinoceros. La simulación utilizó los datos del Año Meteorológico Típico (TMYx) de Tainan para el solsticio de verano (21 de junio, 12:00–13:00), calculando la radiación incidente acumulada sobre un dominio circular de 50 metros de diámetro centrado en el tronco.
Cuantificación del Confort Térmico: Los valores de radiación global (GR) simulados se convirtieron a Temperatura de Equivalente Fisiológico (PET) utilizando un modelo simplificado calibrado localmente ( $PET = 0.0126GR + 1.2537T_a - 2.5537V - 1.6374$ ). El cambio en el confort térmico ( $\Delta PET$ ) se calculó con respecto a una línea base de cielo abierto.

Resultados Clave
El estudio cuantificó la relación entre la intensidad de la poda, el volumen de la copa retenida y la reducción del confort térmico:

Desempeño de la Línea Base: El árbol no podado (100% de retención) redujo la radiación global promedio del dominio a 528.7 W m⁻², lo que resultó en un $\Delta PET$ de −4.1 °C en comparación con el cielo abierto.
Poda Moderada: Las Configuraciones A (cono de 55°, 93.1% de retención) y B (cono de 50°, 88.5% de retención) mostraron una reducción en los beneficios de enfriamiento, con valores de $\Delta PET$ de −3.4 °C y −3.1 °C, respectivamente.
Poda Intensiva: Una mayor poda para equilibrar la distribución de las ramas (Configuraciones A-1, B-1 con 85% de retención; A-2, B-2 con 80% de retención) resultó en niveles de radiación más altos (aprox. 637–671 W m⁻²) y menores efectos de enfriamiento. Los escenarios de poda más intensos (80% de retención) produjeron un $\Delta PET$ de −2.3 °C.
Umbrales de Confort Térmico: El estudio señala que una reducción de 4 °C en el PET corresponde a una mejora de un nivel de confort térmico. Los escenarios de poda más intensiva (80% de retención) resultaron en un beneficio de enfriamiento casi 1.8 °C menor que el árbol original, acercándose al umbral donde la calidad del sombreado puede considerarse insuficiente para una mejora significativa del microclima.

Significancia y Contribuciones
La contribución principal de este trabajo es el desarrollo de un flujo de trabajo de poda 3D automatizado que integra TLS y QSM con la simulación de radiación solar. Este enfoque permite una evaluación detallada y espacialmente explícita de cómo las intervenciones de poda específicas alteran el entorno térmico debajo de las copas de los árboles urbanos, yendo más allá de las estimaciones uniformes comunes en estudios previos.

El estudio demuestra que, si bien la poda moderada puede tolerarse sin comprometer críticamente el confort térmico de los peatones, la eliminación excesiva del volumen de la copa disminuye significativamente los beneficios de enfriamiento. Los autores concluyen que las decisiones de poda deben priorizar primero la seguridad estructural y la salud del árbol, pero el flujo de trabajo proporciona una base cuantitativa para evaluar posteriormente las compensaciones entre estas necesidades de seguridad y la preservación del confort térmico. Al vincular los principios de la poda con los beneficios de enfriamiento, el método propuesto respalda decisiones de gestión de árboles urbanos más informadas y equilibradas.

Limitaciones
Los autores reconocen varias limitaciones: el estudio se centra en una sola especie de árbol (Samanea saman), lo que requiere una calibración específica de la especie para otras formas; la simulación cubre solo una hora crítica (mediodía del solsticio de verano) en lugar de ciclos diurnos o estacionales completos; el modelo de radiación no tiene en cuenta la radiación de onda larga, el almacenamiento de calor o la reflectividad de la superficie; y la reconstrucción del follaje utiliza unidades cúbicas simplificadas en lugar de una geometría foliar detallada. A pesar de estas restricciones, el flujo de trabajo establece un método viable para integrar métricas de confort térmico en los protocolos de poda de árboles urbanos.

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