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Determinación de la batimetría del embalse de Urrúnaga mediante técnicas de teledetección, con el objetivo de averiguar posibles pérdidas de capacidad

Teledetección

Diana Alonso Aransay

Mircea Dragan

Alberto Quintana Tejera

Índice

2

1. Introducción y objetivos2. Revisión bibliográfica

2.1) Batimetría de lagunas mediante teledetección: Ajustes de un modelo empírico en el sureste de Córdoba, Argentina 2.2) Determinación mediante técnicas de teledetección de niveles y superficie inundada de humedales incluidos en la demarcación hidrográfica del Guadalquivir 2.3) Metodología para la realización de batimetrías con imágenes de satélite Landsat: ejemplos de sistemas arrecifales coralinos al este de República Dominicana 3. Propuesta metodológica3.1) Áreas de estudio y datos empleados 3.2) Procesamiento de imágenes y metodología 3.3) Resultados esperados 4. Bibliografía

3

Introducción y objetivos 1

Introducción:

Definición de teledetección:

Técnica de adquisición de datos de la superficie terrestre desde sensores

instalados en plataformas espaciales

Definición de batimetría:

Técnica que permite el estudio de fondos marinos, fluviales o lacustres con el fin de

determinar su relieve

4

Introducción y objetivos 1

Objetivos:

• Precisión en la profundidad: mejor de 30 cm

• Precisión posicional: mejor que 40 m.

• Actualización: varía en función del uso y de la geodinámica de la zona

Documento a obtener (mapa batimétrico):

Revisión bibliográfica

5

2

Revisión bibliográfica:

1. Batimetría de lagunas mediante teledetección: Ajustes de un modelo

empírico en el sureste de Córdoba, Argentina

2. Determinación mediante técnicas de

teledetección de niveles y superficie inundada de

humedales incluidos en la demarcación hidrográfica

del Guadalquivir

3. Metodología para la realización de batimetrías con imágenes de satélite

Landsat: ejemplos de sistemas arrecifales coralinos al este de

República Dominicana

4. A physics based retrieval and quality

assessment of bathymetry from

suboptimal Hyperspectral data

5. Detection of the submerged topography along the Egyptian Red

Sea Coast using bathymetry and GIS-

based analysis

6. Extração de batimetria por sensoriamento

remoto de áreas rasas dos sistemas estuarinos

do Estado do Paraná - Brasil.

6

Proyecto 1:

Batimetría de lagunas mediante teledetección: Ajustes de un modelo empírico en el sureste de Córdoba, Argentina

2.1Revisión bibliográfica

7


Área de estudio: sureste de la provincia de Córdoba en Argentina.

Datos empleados:

• Para contar con los datos de profundidad se tomaron 75 medidas desde una embarcación, con regla telescópica y un receptor GPS.

2.1

• Para el estudio mediante teledetección se utilizó una imagen Lndsat5 TM, capturada en fecha contemporánea a la medición de la profundidad.

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Procesamiento de imágenes:

2.1

• Transformación de niveles digitales a radiancia:

𝐿𝑑 ,𝑘=𝑎0 ,𝑘+𝑎𝑙 ,𝑘𝑁 𝐷𝑘

• Corrección geométrica y georreferenciación al sistema de proyección Gauss Krüger.

• La trasferencia de niveles digitales (ND) se realizó con el método del vecino más cercano obteniendo un error medio cuadrático de EMC=0,82 pixel.

9


• Para estimar la profundidad primero se realiza un ajuste de los valores de radiancia del agua mediante la función:

¿• Con constante y con los datos de profundidad real, se pueden calcular los

coeficientes de atenuación por profundidad () y el efecto del fondo () mediante modelos de regresión lineal entre la radiancia ajustada para cada banda () y las medidas de profundidad (), según la siguiente operación:

𝑧=−𝑝𝑘𝐷𝑎 ,𝑘+ 𝑓 𝑘

2.1

Metodología:

10

Revisión bibliográfica 2.1

El volumen embalsado por la laguna se calculó con el método del área media mediante:

𝑠 𝑗+1=𝑠 𝑗+¿¿

Para verificar la calidad del mapa, se generaron dos mapas batimétricos a partir de la interpolación de sesenta registros de profundidad con dos interpoladores: Kriging. Triangulación.

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Resultados:

Correlación entre bandas B1 y B2 Correlación entre bandas B2 y B3

12


Conclusiones:

Asumiendo que la mejor representación de la profundidad real de la laguna es la batimetría por interpolación, el resultado obtenido mediante teledetección es de calidad muy inferior.

2.1

13


Proyecto 2: Determinación mediante técnicas de teledetección de niveles y superficie inundada de

humedales incluidos en la demarcación hidrográfica del Guadalquivir

2.2

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Área de estudio: humedales incluidos en la Demarcación Hidrográfica del Guadalquivir, que incluyen las lagunas del Sur de Córdoba, Jaén y Málaga.

Datos empleados:

• Para este estudio se ha dispuesto de 111 imágenes, tomadas con Landsat 5 TM y Landsat 7 ETM+, que van desde 1984 hasta 2011.

2.2

• Los demás datos empleados son medidas de campo de los niveles de profundidad realizadas entre 1985 y 2010, y algunos Modelos Digitales del Terreno (MDT) de precisión.

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2.2

• Ortorrectificación de 2 imágenes que no estaban georreferenciadas, utilizando como patrón una imagen Spot 5 del PNT y un MDT del SIGPAC, de 20 metros de paso de malla.

• Todas las imágenes han sido reproyectadas a ETRS89.

• Verificación de la precisión geométrica de las imágenes usando como referencia la imagen Spot 5 del PNT. La precisión cartográfica permitida fue un RMSE < 30 m.

• Conversión de ND a reflectividad:1. ND Radiancia (Coeficientes de calibración del sensor)2. Radiancia Reflectividad

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Metodología:

• El cálculo de batimetría se realizó de 2 formas:1. Con un MDT preciso Análisis de SIG Batimetría.2. MDT generado por ecosonda, combinado con el MDT

procedente del PNOA.

• Extracción de la lámina de agua por Teledetección.

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Para obtener la lámina de agua en las lagunas se probaron distintos índices:

• Índice de Agua Normalizado Modificado (MNDWI):

• Índice de Agua Normalizado (NDWI):

• Índice de Agua del CEDEX:

Se observó empíricamente que el , era el que mejor se adaptaba a los niveles de inundación observados en las imágenes.

Si existe vegetación se emplea el NDVI:

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Resultados:

Ejemplo: composición en falso color infrarrojo (4, 5, 3) de imágenes Landsat 5 TM, donde se aprecia la evolución de la lámina de agua en varias fechas.

Comparación entre la profundidad medida por teledetección y su homóloga de campo en cada una de las fechas analizadas.

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Conclusiones:

• La comparación de los resultados medidos en campo y por técnicas de teledetección muestra que presentan pequeñas discrepancias. La máxima diferencia entre la profundidad de campo y la calculada es de 0,3 m, y la diferencia media es de 0,03 m.

• Se ha probado la utilidad e idoneidad del IAL25 para la discriminación de la lámina de agua. En algún caso concreto, la utilización adicional del NDVI combinado con el IRM mejora la discriminación de la vegetación inundada.

• Sería recomendable disponer de la localización y fecha exactas de las medidas de nivel, ya que con ello se mejorarían los resultados obtenidos.

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Proyecto 3:

Metodología para la realización de batimetrías con imágenes de satélite Landsat: ejemplos de sistemas

arrecifales coralinos al este de República Dominicana

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Área de estudio: Bahía de Samaná, al Noreste de República Dominicana.

Datos empleados:

• Sondeos batimétricos procedentes de mapas topográficos y cartas náuticas

• Imágenes de satélite LandSat ETM+:

22



23


3) Existen errores de saturación del sensor, que hay que corregir.Además es necesario corregir la heterogeneidad de la imagen.

Filtro de paso bajo:

0.0625 | 0.1250 | 0.06250.1250 | 0.2500 | 0.12500.0625 | 0.1250 | 0.0625

4) Se retrasa la rectificación hasta ese momento para modificar lo menos posibles los valores originales de los ND. Para ello se utilizan puntos de control en tierra firme.

5) Finalmente, mediante regresión logarítmica, se correlacionan la imagen de reflectividad aparente con puntos de muestreo. Debe ser satisfactoria para al menos el 50% de dichos puntos.

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Resultados:

• Se han incluido los puntos de sondeos batimétricos.• Se han prescindido de los sondeos batimétricos superiores a 20 m de

profundidad.• A cada punto batimétrico le corresponde un valor de reflectividad

aparente.

La correlación entre profundidad y reflectividad ofrece un valor del 50%

Conclusiones:

El resultado adecuado para el estudio de los sistemas geomorfológicos y biosedimentarios arrecifales.

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3. Propuesta metodológica

3Propuesta metodológica

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Propuesta metodológica 3.1

Área de estudio: embalse de Urrúnaga se sitúa en el término municipal de Legutiano, en la provincia de Álava.

• Tiene baja producción de algas.

• Sus aguas son sumamente claras.

• Sus aguas superficiales tienen mucho oxígeno.

Datos empleados:

10 imágenes Lansad-7 ETM+ del mes de enero, cuando en la zona se registran mayores precipitaciones.

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Propuesta metodológica


Se aplican las siguientes correcciones:

- Atmosférica:

• Método de Chávez

- Radiométrica:

• Línea de píxeles perdidos

• Corrección del bandeado

L sen ,k=Lsu , k τ k , o+La ,k

𝑁 𝐷𝑖 , 𝑗=𝑁 𝐷 𝑖−1 , 𝑗

3.2

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- Geométrica:

Para la georreferenciación de la imagen se realizan los siguientes pasos:

• Selección de una imagen de referencia SPOT georreferenciada de la misma zona y de igual tamaño de píxel.

• Mediante un software se han escogido 100 puntos de control y se realiza un ajuste de ecuación polinómica de segundo grado.

• El programa va realizando aproximaciones sucesivas y corrige así la imagen.

3.2

29


Metodología:

3.2

Se obtienen los valores de radiancia a partir de los ND:

La radiancia que llega al sensor es función de la irradiancia solar, la reflectividad de la cubierta y las condiciones de adquisición.

A partir de la fórmula anterior puede calcularse la reflectividad aparente:

Para calcular la profundidad del embalse, se realiza un ajuste de los niveles de radiancia del agua mediante:

𝐿𝑠𝑒𝑛 ,𝑘=𝑎0 ,𝑘+𝑎1,𝑘𝑁𝐷𝑘

𝐿𝑠𝑒𝑛 ,𝑘=𝐸0 ,𝑘𝑐𝑜𝑠𝛳 𝑖 𝜌

∗𝑘

𝐷𝛱

𝜌∗𝑘=

𝐷𝛱𝐿𝑠𝑒𝑛 ,𝑘

𝐸0 ,𝑘𝑐𝑜𝑠𝛳𝑖

𝐷𝑎,𝑘= ln(𝐿𝑠𝑒𝑛 ,𝑘− 𝐿𝑎 ,𝑘)

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Tomando como constante y con los valores de profundidad reales del MDT, se calculan los coeficientes de atenuación por profundidad y el efecto del fondo utilizando un modelo de regresión lineal entre los valores de radiancia ajustados para cada banda y las medidas de profundidad , según la siguiente operación:

Mediante los valores obtenidos de y se estima la profundidad utilizando todas las bandas en conjunto o de manera individual, aplicando la fórmula anterior.

El volumen del embalse se calculará con el método del área media mediante la Ecuación 5:

El volumen total resulta de la suma de volúmenes entre áreas de base para diferentes cotas de profundidad.

𝑧=−𝑝𝑘𝐷𝑎 ,𝑘+ 𝑓 𝑘

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Por otro lado para la identificación de la lámina de agua, se probarán los siguientes índices:• Índice de Agua Normalizado Modificado (MNDWI).• Índice de Agua Normalizado (NDWI).• Índice de Agua del CEDEX.

Se evaluaron en distintas fechas de imágenes y para diferentes niveles de inundación.

Finalmente, se realiza una comparación entre un número determinado de puntos del MDT con las imágenes de reflectividad a las que se les has ha aplicado los índices, para así verificar la calidad de los resultados obtenidos.

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Resultados esperados:

Tras realizar la correlación entre la profundidad de las imágenes y la profundidad obtenida del MDT obtenido por el levantamiento batimétrico, se espera que los resultados varíen poco. En caso contrario, su justificación podría darse por las siguientes razones:

• Las zonas de mayor profundidad en el embalse presentarán precisiones menores

• El resultado del MDT no puede ser fiable al 100% si en el momento de toma de datos existe algún tipo de perturbación en el agua.

• Pueden existir imprecisiones derivadas de la resolución espacial de las imágenes y del MDT.

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Bibliografía 4

Bibliografía:

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[3] D. G. de G. y M. Ambiente, “Aspectos Técnicos de imágenes Landsat.” .[4] C. H. del Guadalquivir, “Determinación mediante técnicas de teledetección de niveles y superficie

inundada de humedales incluidos en la demarcación hidrográfica del Guadalquivir,” Madrid, 2011.[5] E. Chuvieco, Teledetección ambiental: La observación de la Tierra desde el Espacio., vol. 3. 2008, p.

575.[6] V. E. Brando, J. M. Anstee, M. Wettle, A. G. Dekker, S. R. Phinn, and C. Roelfsema, “A physics

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[8] M. B. Moawad, “Detection of the submerged topography along the Egyptian Red Sea Coast using bathymetry and GIS-based analysis,” Egypt. J. Remote Sens. Sp. Sci., vol. 16, no. 1, pp. 35–52, Jun. 2013.

34

Bibliografía 4

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purposes,” no. February, 2012.[15] C. Durán, J. Agusto, C. Pintor, A. Monteoliva, G. Oldani, and C. Alonso, “ESTUDIOS

CENSALES DE PECES EN LOS EMBALSES DE ALBIÑA, URRÚNAGA Y ULLIVARRI DE LA CUENCA DEL EBRO PARA LA FUTURA INCORPORACIÓN DE ESTE INDICADOR BIOLÓGICO A LA EVALUACIÓN DEL POTENCIAL ECOLÓGICO. TOMO 2. EMBALSE DE URRÚNAGA,” Santander, 2009, p. 56.

[16] “Planifica tus vacaciones en Legutio. Prevision Meteorologica en la provincia de Legutio.” [Online]. Available: http://www.tiemposol.com/planifica-tus-vacaciones-en-legutio-9003Z2DPV.htm. [Accessed: 08-Nov-2014].

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