Manual de uso de SPIDER-SIAR Guía Básica www.spiderwebgis.org Diciembre, 2017
Introducción al uso del sistema SPIDERwebGIS SPIDERwebGIS : Sistema desarrollado por el Grupo de Teledetección y SIG del Instituto de Desarrollo Regional Universidad de Castilla-La Mancha Objetivos y alcance Facilitar el acceso a un nuevo servicio mediante el cual podrá realizar el seguimiento del crecimiento y desarrollo de sus cultivos para mejorar su manejo agronómico El seguimiento de los cultivos se realiza mediante la secuencia temporal de imágenes de satélite a las que se accede a través del sistema SPIDERwebGIS. Los productos de las imágenes de satélite a las que se tendrá acceso son el parámetro NDVI y la Composición Color El entorno gráfico de la aplicación se compone de cinco diferentes áreas de gestión y consulta. El gestor de ámbito geográfico del usuario. El gestor de capas de información. El gestor de o mapa. El área de gestión de rango de fechas y nivel de agregación de píxel. El área de gestión y representación de la evolución temporal, tanto en formato gráfica como en formato tabla.
El CUADRO DE GESTIÓN DE CAPAS DE INFORMACIÓN requiere que las capas estén previamente georreferenciadas para poder superponerlas. Diferenciamos dos zonas, que corresponden a: Capas de información principal o productos. Capas de referencia espacial, que nos permiten orientarnos. Los tipos básicos de capas que podemos a encontrar son: Capas RASTER o IMÁGENES, compuestas por píxeles. Capas VECTORIALES, que pueden ser de tres tipos, según estén compuestas por: o PUNTOS o LÍNEAS o POLÍGONOS Cómo gestionamos las capas de información? Podemos indicar las capas que queremos visualizar. El resultado en el mapa dependerá del orden de las capas y del tipo de cada capa. También nos permite seleccionar, pinchando en el nombre, la capa que queremos consultar. La capa seleccionada la denominaremos CAPA ACTIVA. Ésta será la capa sobre la que se nos permitirá consultar información con la ayuda del gestor de consulta sobre la imagen o mapa.
En este caso, únicamente debemos activar para su consulta, o bien la capa vectorial de parcelas, o la capa de NDVI. El cuadro de gestión de capas de información incorpora una botonera que nos permitirá, entre otras cosas: Añadir o eliminar capas (CAPA ACTIVA). Ordenar las capas (moviendo la CAPA ACTIVA). Visualizar la capa de abajo parcialmente, indicando el grado de transparencia a la superior (CAPA ACTIVA: sólo NDVI). Visualizar la leyenda o paleta de color de la imagen NDVI clasificada (CAPA El GESTOR DE CONSULTA SOBRE LA IMAGEN O MAPA, se compone de tres zonas: 1. La zona superior, donde se indica la fecha de la imagen y el sistema de proyección o datum. Estos dos parámetros son modificables por el usuario. a. Fecha desplegada: Por defecto la fecha de la última imagen disponible en el sistema para el encuadre geográfico del usuario. El sistema nos permite seleccionar otra fecha, bien escribiéndola, o con la ayuda del calendario adjunto. El sistema nos devolverá, representada en el mapa, la imagen de la fecha indicada o, en caso de no disponer de imagen para esa fecha, la disponible inmediatamente anterior a la fecha indicada, indicando finalmente la fecha de dicha imagen b. Proyección y Datum: Por defecto la proyección y el datum base del sistema Google. Permite cambiarlos seleccionando en el combo entre distintas opciones 2. La zona central, donde se visualiza la imagen o mapa, y sobre la que se realizan las consultas y la gestión del encuadre. 3. El cuadro de botones de la izquierda, que permite esta interactuación a nivel de: encuadre visual: Zooms, desplazamientos y rescate de encuadres
consultas espaciales: sobre atributos, evolución temporal y distancias. Siendo: Zoom al Extent: Vuelve al encuadre de la vista por defecto (del usuario). Zoom a la Capa: Encuadra la vista en el marco geográfico que engloba los límites de la capa vectorial. Ampliar Zoom: Selecciona la lupa para ampliar el zoom. Dispone de la doble función: Click (situando el centro del encuadre final) o Caja (localizando el marco de ampliación). Reducir Zoom: Selecciona la lupa para reducir el zoom. Dispone de la doble función: Click (situando el centro del encuadre final) o Caja (localizando el marco de reducción). Vista Anterior: Recupera la vista anterior del mapa. Vista Siguiente: Recupera la vista siguiente del mapa. Sólo funciona si previamente hemos pinchado en Vista anterior. Mover Mapa: Permite desplazar el mapa pinchando, manteniendo pinchado y arrastrando. Consulta de información: Permite consultar la información alfanumérica asociada a la capa activa. En caso de ser un raster nos devuelve información general de la imagen y el valor del pixel. En caso de ser una capa vectorial, nos devuelve los atributos del elemento seleccionado (polígono, línea o punto). Consulta de información temporal: Nos permite consultar la información temporal asociada a la capa activa y al lugar del mapa seleccionado. Únicamente funciona cuando la capa activa es un raster. Devuelve los valores en el área de Gráfico y Tabla (abajo del mapa) en ambos formatos. Medida: Permite medir distancias reales sobre el mapa. El primer click marca el punto de origen de la medida, a partir de ahí, cuando desplazamos el cursor, una línea imaginaria nos indica la línea recta hasta el siguiente punto. Si hacemos un solo click, el sistema entiende que se trata de un punto intermedio de inflexión. Si hacemos doble click, el sistema interpreta que es punto de destino o final y nos devuelve el valor total de la ruta trazada El GESTOR DE RANGO DE FECHAS Y NIVEL DE AGREGACIÓN DE PÍXEL, nos permite indicar el intervalo de fechas sobre el que queremos realizar la consulta temporal, así como definir el nivel de agregación de píxeles de la capa de NDVI, lo que nos permite promediar áreas de distinta superficie, escaladas en base al número de píxeles seleccionados.
El INTERVALO DE FECHAS DE CONSULTA por defecto, es: FECHA FINAL: la fecha de la última imagen disponible en el ámbito geográfico de consulta. FECHA INICIO: seis meses antes de la FECHA FINAL POR DEFECTO. Podemos escribir la fecha deseada en el extremo del intervalo correspondiente, o bien, utilizando los calendarios adjunto. Tenemos la opción, mediante el uso del botón de solicitar el Rango Máximo de Fechas en el que existen imágenes disponibles en el ámbito geográfico de consulta (usuario). Para ello, es necesario tener una CAPA ACTIVA de imágenes (NDVI). Una vez hemos determinado los parámetros de consulta (temporal y nivel de agregación) y manteniendo activa la capa de NDVI, con la ayuda del botón de consulta de información temporal, seleccionamos un punto en el mapa o imagen, y la información solicitada nos aparecerá en los formatos correspondientes, gráfica y tabla, en el ÁREA DE GESTIÓN Y REPRESENTACIÓN DE LA EVOLUCIÓN TEMPORAL. Podemos consultar la información sobre la gráfica, desplazándonos por cada uno de los puntos, cuyas coordenadas indican al satélite, la fecha de captura y el valor del píxel (o agregado de píxeles) correspondientes. Pinchando en uno de esos puntos cambiamos la fecha de la imagen del mapa por la del punto seleccionado.
También podemos realizar consultas simultáneas sobre varios puntos de la imagen, para ello, debemos activar la opción MULTICHART, pinchando una vez sobre el icono de la gráfica. A partir de ese momento, cada vez que pinchemos sobre un punto del mapa, obtendremos la correspondiente representación gráfica y en formato tabla de los valores obtenidos.
Podemos realizar una consulta sobre los valores acumulados de NDVI de los píxeles consultados pinchando sobre la gráfica desde la fecha que consideremos como inicial y, sin soltar el botón, arrastramos hacia la derecha hasta la fecha que consideremos como final. En un recuadro nos aparecerá el rango de fechas consultado y debajo a la izquierda el valor del NDVI puntual en la última fecha y a la derecha el valor del NDVI acumulado en el intervalo de fechas. El orden de arriba abajo corresponde con el orden de selección de los puntos, es decir, en este caso el primer valor corresponde al punto rojo y el segundo al punto verde. Esta herramienta es muy útil para poder ver diferencias relativas en cuanto a potencial productivo de ambas zonas seleccionadas, pues a mayor NDVI acumulado, a priori, mayor es el potencial productivo. Hay que tener en cuenta a la hora de establecer esta comparativa, que debe realizarse entre zonas con el mismo cultivo y variedad, así como que debemos evitar seleccionar los puntos descolgados debido a la presencia de nubes. Como vemos, esta herramienta no sólo nos permite poder conocer el valor acumulado sino que también puede ser interesante para conocer el valor del NDVI de un pixel seleccionado en la imagen interpolado entre dos imágenes consecutivas en el tiempo.
Podemos dejar de visualizar en el gráfico los puntos que queramos, simplemente, indicándolo en la tabla. Como vemos, estos puntos permanecen indicados, tanto en la tabla como en el mapa. También podemos eliminar directamente los puntos consultados que desee, borrándolos de la tabla.
Para borrar todas las consultas temporales realizadas, lo hacemos borrando la tabla eliminando el campo fecha. Por último, tenemos la posibilidad de guardar la información que hemos consultado, por separado, es decir, capturando el mapa, la gráfica y descargando la tabla. Para ello disponemos de botones específicos para cada una de estas funciones: 1. Captura del mapa:
Podemos capturarlo georreferenciado, de forma opcional, y darle las dimensiones que queramos. Por defecto nos ofrece la posibilidad de usar las dimensiones de la vista. 2. Guardar gráfica:
Podemos darle las dimensiones que queramos. Por defecto nos ofrece 500 x 300 pixeles. 3. Descargar la tabla en formato Excel:
De esta forma tendremos los datos en un archivo Excel en el mismo formato en el que aparecían en la tabla. Hasta aquí las funciones básicas de SPIDERwebGIS.
ACCESO A SECUENCIAS TEMPORALES DE IMÁGENES DE SATÉLITE, SUPERFICIES EN REGADÍO Y SU BALANCE DE AGUA EN LA ESPAÑA PENINSULAR. PROYECTO SPIDER SIAR 2014 2017 Alfonso Calera y Jesús Garrido-Rubio Sección de Teledetección y SIG. Universidad de Castilla La Mancha. Alfonso.Calera@uclm.es ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN Y ACCESO AL SISTEMA 2. PRODUCTOS DISPONIBLES 2.1 Secuencias temporales de imágenes 2.2 Clasificación de usos del suelo en regadío 2.3 Cartografía temática de variables del balance de agua en suelo 2.4 Cartografía auxiliar
1. INTRODUCCIÓN La Subdirección General de Regadíos y Economía del agua (SGRYEA), del Ministerio de Agricultura y Pesca, Alimentación y Medio Ambiente (MAPAMA), a través de Centro Nacional de Tecnología de Regadíos (CENTER), ha puesto en marcha el proyecto SPIDER- SIAR, realizado por la Sección de Teledetección y SIG (Instituto de Desarrollo Regional, Albacete, Universidad de Castilla-La Mancha). Este proyecto utiliza secuencias temporales de imágenes de satélite para monitorizar los cultivos y realizar el seguimiento de sus necesidades hídricas, específicamente los cultivos en regadío, en el ámbito espacial de la España peninsular. El fin último de este proyecto es contribuir a la mejora en la eficiencia en el uso del agua de regadío, y para ello tiene entre sus metas poner a disposición de múltiples usuarios la información generada. La herramienta SPIDERwebGIS permite acceder vía web a las secuencias temporales de imágenes de satélite y a productos derivados de ellas tales como las superficies de regadío y el balance de agua realizado sobre estas superficies, en toda la España peninsular, a alta resolución espacial (30 m x 30 m y 10 m x 10 m), para los años 2014 2017. La consulta de los productos generados por el proyecto SPIDER-SIAR es libre. Basta con seleccionar el grupo SPIDER-SIAR España y escribir la palabra demo en las casillas Login y Password que el usuario encontrará en el siguiente punto de acceso vía web: Web SPIDERwebGIS : Grupo SPIDER-SIAR http://maps.spiderwebgis.org/login/?custom=spider-siar 2. PRODUCTOS DISPONIBLES 2.1 Secuencia de imágenes de satélite RGB: Contiene la secuencia temporal de imágenes combinación color Landsat 8 a un tamaño de pixel de 15 m (años 2014 2017), y la secuencia de imágenes combinación color Sentinel 2A y Sentinel 2B a un tamaño de píxel de 10 m (años 2015 2017). NDVI: Contiene la secuencia temporal de imágenes NDVI Landsat 8 a un tamaño de pixel de 30m (años 2014 2017), y la secuencia temporal de imágenes NDVI Sentinel 2A y Sentinel 2B a un tamaño de píxel de 10 m (años 2015 2017). Todas las imágenes NDVI están normalizadas, y presentan valores típicos de NDVI para suelo desnudo de 0.14, y valor típicos de NDVI de 0.91 para vegetación verde muy densa. Además, estas imágenes se presentan libres de nubes y sombras
Kcb: Secuencia de imágenes obtenidas directamente desde imágenes NDVI con un tamaño de píxel es de 30 m para las imágenes Kcb obtenidas desde el satélite Landsat 8 y con un tamaño de píxel de 10 m en aquellas imágenes Kcb obtenidas desde los satélites Sentinel 2A y Sentinel 2B. Presentan valores típicos para suelo desnudo de 0.15 y valores típicos de 1.15 para la vegetación verde muy densa. 2.2 Usos de suelo Usos del suelo [en regadío]: Mapas descriptivos de usos de suelo del regadío clasificados según la secuencia temporal del NDVI y están centrados en las zonas regables de la España peninsular. Existen tres mapas según el año de estudio 2014, 2015 o 2016 (pronto se suministrará el mapa de 2017). Los mapas están divididos en las siguientes clases y representados en SPIDE-SIAR según la siguiente leyenda: Regadíos de primavera Regadíos de verano Regadíos de primavera y verano Leñosos en regadío Olivar en regadío Cítricos en regadío Frutales en regadío Regadíos de Otoño e Invierno 2.3 Cartografía temática de variables agroclimáticas y del balance de agua en suelo Evapotranspiración actual [mm/mes]: Secuencia temporal de imágenes a periodicidad mensual. Representan las necesidades hídricas acumuladas mensualmente de las cubiertas vegetales en regadío. Tienen un tamaño de píxel de 30 m para los años 2014 2015 y de 10 m en 2016 2017. Necesidades de riego [mm/mes]: Secuencia temporal de imágenes a periodicidad mensual. Representan las necesidades netas de riego acumuladas mensualmente de los usos del suelo en regadío. Tienen un tamaño de píxel de 30 m para los años 2014 2015 y de 10 m en 2016 2017. Evapotranspiración de referencia [mm/mes]: Secuencia temporal de imágenes a periodicidad mensual. Representan la demanda evaporativa de la atmósfera acumulada mensualmente. Basadas en datos diarios recogidos principalmente por la Red SIAR. Tienen un tamaño de píxel de 30m para los años 2014 2015 y de 10 m en 2016 2017. Precipitación [mm/mes]: Secuencia temporal de imágenes a periodicidad mensual. Representan la precipitación acumulada mensualmente. Están basadas en datos diarios recogidos principalmente por la Red SIAR. Tienen un tamaño de píxel de 30 m para los años 2014 2015 y de 10 m en 2016 2017.
2.4 Cartografía auxiliar Datos agrometeorológicos: Capa vectorial de puntos que indica la posición de cada estación agroclimática que forma la Red SIAR, la red Meteocat y la red Euskalmet. Su consulta muestra el código y nombre de la estación seleccionada. Delimitación escenas Landsat y Sentinel: Capa vectorial de polígonos que muestra la extensión geográfica de las diferentes escenas Landsat 8 o Sentinel 2 procesadas para SPIDER-SIAR. Su consulta muestra el código de la escena consultada. SIGPAC (por provincias): Capas vectoriales de polígonos que muestran los recintos SIGPAC (proporcionado por el FEGA). Visibles a partir de escalas superiores a 1:60.000. Organizadas por provincias, su consulta muestra la provincia, municipio, agregado, zona, polígono, parcela, recinto, pendiente, coeficiente de regadío y uso SIGPAC del polígono. Delimitación de cuencas hidrográficas: Capa vectorial de polígonos que muestran la extensión geográfica de las demarcaciones hidrográficas. Obtenidas desde la propia cartografía de cada Confederación Hidrográfica. Su consulta muestra el nombre de la demarcación seleccionada. Zonas regables (MAGRAMA): Capa vectorial de polígonos (en revisión) que muestra las zonas regables de la España peninsular. Visibles a partir de escalas superiores a 1:2.000.000. Su consulta muestra el nombre, superficie de la comunidad de regantes o zona regable consultada. Delimitación administrativa provincial: Capa vectorial de polígonos que muestra la extensión geográfica de las provincias de la España peninsular. Obtenidas desde la cartografía del Instituto Geográfico Nacional. Su consulta muestra el nombre de la provincia seleccionada. API de Google : Muestra las capas cartográficas Roadmap, Satellite y Terrain del sistema web Google Maps (Application Programming Interface).
ANEXO: CONCEPTOS BÁSICOS DE TELEDETECCIÓN Las imágenes del satélite corresponden a observaciones cenitales sobre el terreno. El producto obtenido es una escena rectangular, cuyo CAMPO DE VISIÓN viene determinado por la longitud de sus lados. En el caso de Landsat 8, el campo de visión es de 170 x 185 km 2. Cada sensor se caracteriza en función de su resolución, en sus diferentes tipos:
El tamaño de píxel, la frecuencia de paso, el número de niveles digitales, y las distintas longitudes de onda registradas. RESOLUCIÓN ESPACIAL: TAMAÑO DE PÍXEL RESOLUCIÓN TEMPORAL: FRECUENCIA DE PASO RESOLUCIÓN RADIOMÉTRICA: NIVELES DIGITALES RESOLUCIÓN ESPECTRAL: LONGITUD DE ONDA La RESOLUCIÓN ESPACIAL o tamaño de píxel, representa el área menor que es capaz de discriminar el sensor. Se define por la longitud del lado del píxel. En el caso de Landsat 8, decimos que tiene un tamaño de píxel de 30 m, aunque vemos que en cada banda, que registra la información a diferente longitud de onda, este tamaño varía. A partir de la combinación de bandas, obtenemos nuestros principales productos, como son la combinación color, que tiene un tamaño de píxel de 15 m, y el NDVI, de 30 m.
Combinación Color NDVI La RESOLUCIÓN TEMPORAL hace referencia a la frecuencia con la que se actualizan los datos, es decir, la frecuencia de paso del sensor por un mismo punto. Como vemos, el satélite gira siguiendo un estricto programa para obtener imágenes de todo el planeta.
PATH R OW ESCENAS LANDSAT 8 Las imágenes obtenidas se clasifican y archivan en cuadrantes o escenas, definidos por el código PATH-ROW, que indica el número de ruta (PATH) y número de fila (ROW). El tiempo que tarda el satélite Landsat 8 en mapear todo el planeta son 16 días. No obstante, como podemos ver, entre escenas de PATH contiguos se producen ciertos solapes. En las áreas correspondientes a dichas intersecciones disponemos de una resolución temporal de 7 días, que es el intervalo de tiempo entre un PATH y el contiguo. La RESOLUCIÓN RADIOMÉTRICA se refiere a la cantidad de tonos diferentes de gris que es capaz de representar cada píxel de una imagen discriminando las variaciones de intensidad de la radiación emitida por los objetos. Esto depende del número de bits utilizados para registrar la información. En el caso de las imágenes Landsat 8, a diferencia de la mayoría de imágenes de satélite, en las imágenes se almacenan a 8 bits, las imágenes de este satélite se capturan a 12 bits, lo que nos da una escala de 4.096 niveles (2 12 ), que van desde el negro (0) hasta el blanco (4.095). Por tanto, cada píxel, tendrá un valor dentro de este rango. Al corresponder un tono de gris a cada valor, obtenemos la representación espacial en forma de imagen de la información captada por el sensor.
El ojo humano difícilmente percibe 64 niveles de gris, 16 niveles de color y no más de 200.000 colores (frente a los 16,7 millones de colores que obtenemos a 8 bits). La RESOLUCIÓN ESPECTRAL son las longitudes de onda o bandas distintas (canales) en las que el sensor es capaz de medir. El sensor se compone de diferentes canales, y cada uno de ellos registra la reflectividad o radiación emitida por los objetos en una banda de longitud de onda distinta. Para comprenderlo mejor, vamos a compararlo con el funcionamiento de las cámaras fotográficas digitales. Estas disponen de tres canales, y cada uno de ellos registra la información en una banda diferente del rango del espectro visible. La imagen resultante es el producto de asignar a cada filtro correspondiente al modelo de color RGB (Red-Green-Blue) una de las tres bandas obtenidas.
Este es el concepto en el que se basa el producto COMBINACIÓN COLOR, que es la representación gráfica de la imagen de satélite, una vez procesada convenientemente. En este caso, dado que disponemos de más de tres bandas, podemos realizar distintas asignaciones obteniendo así diferentes combinaciones color, que nos permiten, visualmente, tener una primera aproximación de lo que ocurre en cada área de la escena.
La combinación color que utilizamos es la 6-5-4 o Falso Color, en la que utilizamos las bandas del Infrarrojo de Onda Corta, el infrarrojo Cercano y el Rojo, ya que es la que mejor representa visualmente los cambios en la vegetación. Como hemos dicho anteriormente, esta combinación la fusionamos con la banda pancromática que tiene un tamaño de píxel menor, de 15 m, lo que nos permite mejorar la resolución espacial de la imagen obtenida. El NDVI, o Índice de Vegetación Diferenciado Normalizado, representa el tamaño y la capacidad fotosintética de la cubierta vegetal. Este índice se basa en la diferente radiación emitida por los distintos objetos a distintas longitudes de onda, lo que viene representado por la firma espectral de cada objeto.
Al superponer las bandas del sensor Landsat 8 sobre estas firmas espectrales, encontramos diferentes comportamientos en cada uno de estos objetos: suelo, vegetación y agua, tanto en la banda del infrarrojo cercano como en la del rojo. Mediante una operación matemática entre estas dos bandas, siguiendo la ecuación para la obtención del NDVI, conseguimos un parámetro que nos acentúa en una única imagen resultante, las diferencias apreciadas previamente. La robustez del resultado obtenido por este parámetro, nos permite diferenciar entre los diferentes estados de la cubierta vegetal, distinguiendo claramente entre vegetación muerta, estresada y verde. El rango de valores de NDVI de referencia va desde 0.15 de un suelo desnudo, hasta 0.91 de una cobertura vegetal máxima. Mediante una paleta de colores, asignando uno a cada un intervalo de valores de NDVI, obtenemos una imagen clasificada de NDVI, que es nuestro segundo producto en SPIDERwebGIS.
La representación gráfica de la EVOLUCIÓN TEMPORAL DEL NDVI en cada punto, nos permite Caracterizar el desarrollo y crecimiento de la cubierta vegetal Orientar sobre su potencial productivo y potencial de transpiración dado que cada cultivo posee un patrón de curva característica distinto. Este producto lo obtenemos a partir de la consulta espacial cruzada a una secuencia temporal cronológica de imágenes de satélite.