La teledetección como herramienta de apoyo a las oficinas de planificación en el campo del ciclo integral del agua I Jornadas de Ingeniería del Agua

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1 La teledetección como herramienta de apoyo a las oficinas de planificación en el campo del ciclo integral del agua I Jornadas de Ingeniería del Agua Alberto Rodríguez Fontal Doctor Ingeniero C.C.P. -Jefe de Área de Coordinación Exterior Subdirección General de Planificación y Uso Sostenible del Agua Dirección General del Agua 1 Introducción La Teledetección es una técnica contrastada y validada que cuenta con multitud de aplicaciones. En este documento se expone, de forma resumida, la posibilidad de la utilización de dicha técnica como herramienta de apoyo a las Oficinas de Planificación Hidrológica (OPH). Desde la Subdirección General de Planificación y Uso Sostenible del Agua (SGPYUSA) se han definido cuatro grandes grupos temáticos para la utilización de la teledetección en el campo del agua: Sequía Inundaciones Calidad de las aguas y eutrofización Balance Hídrico (Evapotranspiración) El objetivo buscado es, siempre dentro de la directrices del Plan Nacional de Teledetección (PNT), disponer de información relacionada con determinados índices mediante teledetección que permitan realizar un seguimiento en el tiempo de fenómenos como las sequías, asegurando la disponibilidad de imágenes de satélite y utilizando metodologías de tratamiento de las mismas validadas en los diferentes grupos de trabajo del PNT. La participación de las OPH reduce la utilización práctica de todo este caudal de información, sin suponer en ningún momento una carga de trabajo extra. 2 Adquisición de las imágenes de satélite Para la consecución del objetivo planteado se ha propuesto la utilización de datos multiespectrales procedentes de los satélites Landsat 5 y Envisat, captados por los sensores TM y MERIS respectivamente. El Instituto Geográfico Nacional (IGN) es el coordinador del PNT y está encargado de distribuir las imágenes Landsat 5, proporcionando la Agencia Espacial Europea (ESA) las MERIS. El Plan Nacional de Teledetección engloba a todas las administraciones españolas y persigue que sólo exista una única compra de las imágenes de los diferentes satélites y un acceso gratuito de todas las imágenes tratadas por los diferentes puntos focales del PNT.

2 Figura 1 Características de imágenes de los sensores TM y MERIS En el cuadro de la página siguiente se incluye el avance del PNT al 24 de marzo de Tras la adquisición de los datos se establece un proceso de pre-tratamiento inicial de la información adquirida, esencial para la obtención de resultados óptimos. En función del nivel de procesado en el que se adquiere la imagen al correspondiente distribuidor, dicho pre-tratamiento puede estar incorporado en la imagen de partida. El Plan Nacional de Teledetección (PNT) facilita las imágenes Landsat 5 corregidas geométricamente, con un cierto retraso sobre la fecha de paso del satélite. La superficie que cubre dicha adquisición corresponde a la Península e Islas Baleares y queda completada en 10 pasadas distribuidas en un periodo de 16 días (45 escenas). El PNT no contempla, por el momento, la cobertura de las Islas Canarias. Figura 2 Adquisición de las imágenes Landsat 5

3 Figura 3 Estado de avance del PNT a 24 de marzo de 2009 Tema B: Hidrología y Gestión del Agua

4 Desde el segundo trimestre de 2008 el IGN cuenta con una suscripción a datos Landsat 5, por la que dispone de todas las imágenes Landsat que se han obtenido desde esa fecha, independientemente de su cobertura nubosa, con el fin de disponer del mayor número de datos captados sobre el territorio nacional. Aún así, el PNT establece como límite máximo de cobertura nubosa un 10%. Para el año 2010 está previsto el inicio de la adquisición del archivo histórico de la serie Landsat para todo el territorio nacional. Las imágenes MERIS para toda Europa se encuentran disponibles diariamente en un servidor Web de la ESA, al que puede accederse a partir de una inscripción previa. Los productos solicitados inicialmente corresponden a imágenes FRS Nivel 2, que incorporan un pre-procesamiento basado en una corrección atmosférica. Siendo necesaria la adquisición de imágenes MERIS FR Nivel 1 y 2, sin procesamiento previo, al resultar el procesado de las FRS no adecuado para el análisis de calidad de aguas. La configuración de la órbita del satélite ENVISAT permite completar el territorio nacional cada 2-3 días, realizando el mosaico de las imágenes adquiridas en días contiguos para la Península, además de la imagen que cubre las Islas Canarias. La propuesta inicial consiste en seleccionar las dos escenas (de dos imágenes cada una) que individualmente cubran gran parte de la Península y cuya unión complete el territorio nacional.

5 Tema B: Hidrología y Gestión del Agua ESA - ADQUISICIÓN DIARIA IMÁGENES MERIS/ENVISAT. PENÍNSULA, ISLAS BALEARES Y CIUDADES AUTÓNOMAS DIA 1 DIA 2 DIA 3 DIA 4 DIA 5 DIA 6 DIA 7 Mitad este Track 8 DIA 8 Track 23 DIA 9 Falta Mediterráneo Track 37 DIA 10 Falta Galicia Track 51 DIA 11 Track 65 DIA 12 Mitad oeste Track 80 DIA 13 Falta Galicia Track 94 DIA 14 Mediterráneo Track 108 DIA 15 Mitad oeste Track 123 DIA 16 Track 137 DIA 17 Mediterráneo Track 151 DIA 18 Atlántico Track 166 DIA 19 Falta de Baleares Track 180 DIA 20 Mediterráneo Track 194 DIA 21 Galicia Track 209 DIA 22 Falta Baleares Track 223 DIA 23 Mitad este Track 237 DIA 24 Track 251 DIA 25 Falta Mediterráneo Track 266 DIA 26 Falta Atlántico Track 280 DIA 27 Track 294 DIA 28 Falta Mediterráneo Track 309 DIA 29 Falta Galicia Track 323 DIA 30 Track 337 DIA 31 Mitad oeste Track 352 DIA 32 Track 366 DIA 33 Mediterráneo Track 380 DIA 34 Mitad oeste Track 395 DIA 35 (falta parte Baleares) Track 409 Mitad este Track 423 Atlántico Track 438 (falta Baleares) Track 452 Mitad este Track 466 Galicia Track 481 (falta Cataluña y Bal.) Track 495

6 Tema B: Hidrología y Gestión del Agua ESA - ADQUISICIÓN DIARIA IMÁGENES MERIS/ENVISAT. ISLAS CANARIAS DIA 1 DIA 2 DIA 3 DIA 4 DIA 5 DIA 6 DIA 7 DIA 8 Track 23 DIA 9 Parte este Track 37 DIA 10 DIA 11 Parte oeste Track 66 DIA 12 Track 80 DIA 13 DIA 14 Track 109 DIA 15 Track 123 DIA 16 DIA 17 Track 152 DIA 18 Track 166 DIA 19 Track 180 DIA 20 DIA 21 Track 209 DIA 22 Parte este Track 223 DIA 23 DIA 24 Track 252 DIA 25 Parte este Track 266 DIA 26 DIA 27 Casi completa Track 295 DIA 28 Casi completa Track 309 DIA 29 DIA 30 Parte este Track 338 DIA 31 Track 352 DIA 32 DIA 33 Track 381 DIA 34 Track 395 DIA 35 - Track 424 Track 438 Track Track 481 Track 495

7 La descarga de imágenes MERIS se realiza en los tres días posteriores a la fecha de adquisición por el sensor, para completar el procesado de todas las imágenes adquiridas en dicho día. Una vez completada la descarga de los archivos correspondientes a la semana se localizan las cuatro imágenes programadas inicialmente. Una previsualización de éstas, y su cobertura nubosa, permite estimar la aptitud de dichas imágenes, y en caso de considerarse necesario, ser reemplazadas por imágenes de la correspondiente semana, que completen todo el territorio, si fuera posible. 3 Pre-procesamiento de imágenes Los valores del flujo energético que detecta el sensor a bordo del satélite (la radiación medida) son transformados en valores discretos llamados niveles digitales (ND). Estos valores guardan una relación directa con parámetros físicos propios del objeto observado como son la radiancia (la energía reflejada por éste), la reflectancia (cociente entre la energía reflejada y la energía incidente) o su temperatura. La utilización de la variable física de la reflectancia se hace necesaria, entre otros casos, cuando se comparan datos de diversos sensores o cuando se quieren calcular variables derivadas, por ejemplo, concentración de Clorofila a en aguas. Hay que tener en cuenta que entre el sensor y el objeto observado se interpone la atmósfera, que produce una perturbación en la señal. Los diferentes componentes de la atmósfera (gases atmosféricos y aerosoles) absorben y dispersan la radiación en función de las longitudes de onda. El proceso mediante el cual se elimina la perturbación producida por la atmósfera se denomina corrección atmosférica y es imprescindible, como es lógico, cuando se quieren comparar imágenes de distintas fechas. Normalmente, el procesado de las imágenes para su corrección atmosférica procesa los datos de reflectancia a partir de los ND iniciales. Así ocurre con el método Gilabert (1994) aplicado en la corrección de las imágenes Landsat. Por otro lado, las imágenes digitales presentan una serie de distorsiones, con respecto a la imagen real, en la localización de puntos. Estas distorsiones pueden ser debidas a la oscilación de la plataforma, curvatura y rotación de la Tierra, tiempo de adquisición, etc. El proceso que consiste en el cambio en la posición que ocupa los píxeles en una imagen se denomina corrección geométrica y es imprescindible para unir imágenes contiguas que cubran toda la zona de estudio, poder superponer información cartográfica auxiliar o para hacer posible un estudio multi-temporal. Normalmente la corrección geométrica se realiza mediante la selección de puntos de control, aunque también puede llevarse a cabo a partir de modelos orbitales. En el caso de las imágenes MERIS, el propio archivo incorpora parámetros orbitales que posibilitan una georreferenciación inicial, pero requiere de una corrección más precisa mediante la selección de puntos de control, que posibilita la unión de las imágenes a las que se va a realizar el posterior procesado. 4 Aplicaciones Tal y como se indicaba en la introducción del presente documento, los cuatro temas sobre los que se van a desarrollar aplicaciones utilizando la teledetección como herramienta de análisis son: sequías, inundaciones, calidad de las aguas y balance hídrico. La idea es disponer de información a nivel de Sistema de Seguimiento definido en los Planes Especiales de Sequía, demarcación hidrográfica y todo el territorio nacional. La escala temporal permitirá obtener datos e información de un periodo de una semana (para las imágenes MERIS), cada quince días (para las imágenes LANDSAT), cada mes, cada trimestre hidrológico o natural o cada año hidrológico o natural. Los datos que se obtengan de cada imagen permitirán establecer los indicadores de seguimiento de estos grandes temas. Se ve ya la potencia de esta información de cara a su explotación por las OPH, pues permite analizar diferentes fenómenos desde la perspectiva local hasta la perspectiva de demarcación hidrográfica, o la situación en un instante dado o la evolución en el tiempo de estas magnitudes.

8 4.1 Seguimiento de la sequía (Landsat, MERIS) El análisis de la situación de sequía se realiza a partir del cálculo de índices espectrales. Concretamente se está validando un índice de sequía adaptado al caso español (NDDIE) adaptado del modelo desarrollado por la Universidad de Nebraska. Este índice se obtiene combinando el índice de vegetación (NDVI) y un índice de contenido de agua en la superficie terrestre (NDWI). La Universidad de Nebraska ha desarrollado un índice de sequía (Normalized DifferenceDrought Index NDDI) para el de seguimiento de la sequía a partir de imágenes MODIS, con una resolución de 1 km. Dicho índice está basado en el índice de vegetación y en el índice del agua. Figura 4 Definición de Índice de Vegetación, Índice de Agua e Índice de Sequía de imágenes MODIS (Universidad de Nebraska) Figura 5 Distribución espacial del Índice de Sequía en la ecorregión de los Flint Hills (Universidad de Nebraska)

9 El objetivo de esta aplicación es obtener un indicador de sequía que sirva de apoyo para la interpretación de los Indicadores de sequía desarrollados por la SGPYUSA, basados en variables hidrológicas y que quedan plasmados en los mapas de seguimiento de sequía que se editan con carácter mensual. Dichos índices no son comparables pero sí puede entenderse que son complementarios en el análisis de la evolución de las sequías. De manera empírica y por ahora sin el suficiente rigor científico, se han correlacionado ambos índices de la siguiente forma: NDDIE NDDI , , , ,5 42, , No dato Hay sequía No hay sequía Figura 6 Evaluación de indicadores de sequía Tal como se ha señalado, no tiene por qué haber una correlación directa entre los índices, pero el NDDIE contribuye a analizar la situación en los subsistemas de seguimiento de sequía definidos en los PES. 4.2 Calidad de las aguas (Landsat, MERIS) En este caso concreto, se propone realizar el seguimiento de tres parámetros fundamentales, aplicando la metodología desarrollada por el Centro de Estudios Hidrográficos (CEH-CEDEX) al respecto, como son: concentración de clorofila a, concentración de sólidos en suspensión y transparencia. Además con imágenes Landsat también se estima la temperatura superficial de la cubierta terrestre. Los productos de calidad de aguas se obtienen trimestralmente para los datos Landsat y se completan semanalmente con los productos MERIS. En su validación se utiliza la información procedente de las redes de control existentes. El objetivo buscado con esta aplicación se basa en el seguimiento del estado ecológico (EQR) de las masas de agua definidas en el Artículo 5 de la DMA (lagos, embalses), aunque podrán incorporarse otras que sean de interés (humedales o tramos finales de río como Guadiana aguas abajo de Alqueva y Ebro aguas abajo de Tortosa). También se realizará evaluación del grado de eutrofización de las más relevantes. A continuación se adjunta el mapa de concentración de Clorofila a (mg/m 3 ) estimado para la masa de agua denominada Embalse de Santillana.

10 0,0-0,1 0,1-0,2 0,2-0,3 0,3-0,4 0,4-0,6 0,6-1,0 Figura 7 Mapa de concentración de Clorofila a para el embalse de Santillana 4.3 Inundaciones (Landsat, MERIS, radar) La delimitación de las áreas inundables en nuestro país es un aspecto clave de cara a la planificación hidrológica. Esta aplicación se basa en el seguimiento sistemático de las superficies que han sufrido episodios de inundación de cierta entidad. Para ello, las superficies inundadas son determinadas a partir de un índice normalizado de agua y el análisis del histograma del infrarrojo cercano. En este momento se está valorando la adquisición de imágenes radar que posibilitan estimaciones más precisas de la humedad del suelo. El seguimiento se realiza por semana mediante el producto de superficies de agua de MERIS y por trimestre de Landsat. El objetivo buscado es la posibilidad de establecer las bases metodológicas para el seguimiento de episodios de inundación, que permitan obtener de forma precisa la superficie realmente afectada. 4.4 Balance hídrico (landsat, MODIS) Dentro del balance hídrico se valora el empleo de la Teledetección como herramienta para la estimación de la evapotranspiración de las coberturas vegetales. Esta aplicación se basa generalmente en el análisis de la respuesta de la vegetación en el infrarrojo térmico. Actualmente este análisis con datos MERIS está siendo estudiado por la comunidad científica. En este estudio se emplean fundamentalmente datos Landsat y como otra posibilidad datos MODIS. El objetivo perseguido es la estimación de la evapotranspiración de los cultivos a diferentes escalas de trabajo. Lo que permitiría obtener un dato más preciso con el que alimentar modelos ya existentes (SIMPA, EWBMS). Concretamente el proyecto EWBMS trataba de estimar la precipitación y la evapotranspiración de la superficie terrestre a partir de imágenes del satélite METEOSAT. Los resultados de precipitación se contrastaban con 50 pluviómetros distribuidos por todo el territorio nacional y los de evapotranspiración con el modelo distribuido de precipitación-aportación (SIMPA), para lo que se desechaban las superficies de regadío por tratarse de zonas alteradas por la actividad humana.

11 5 Flujo de procesamiento A continuación se muestra el diagrama de flujo de trabajo que se ha desarrollado con el fin de optimizar el procesamiento de los datos. 5.1 Imágenes Landsat Figura 8 Metodología de análisis para imágenes Landsat B= banda de radiancia R= reflectividad

12 5.2 Imágenes MERIS Figura 9 Metodología de análisis para imágenes MERIS

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