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Tema B: Hidrología y Gestión del Agua

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

[email protected]

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.


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 2009.

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


Figura 3 Estado de avance del PNT a 24 de marzo de 2009


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.


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 Nula Falta Mediterráneo Falta Galicia Nula Mitad oeste Falta Galicia

Track 8 Track 23 Track 37 Track 51 Track 65 Track 80 Track 94


Mediterráneo Mitad oeste Completa Mediterráneo Atlántico Falta de Baleares Mediterráneo



Galicia Falta Baleares Mitad este Nula Falta Mediterráneo Falta Atlántico Nula



Falta Mediterráneo Falta Galicia Nula Mitad oeste Completa Mediterráneo Mitad oeste



Completa (falta parte Baleares) Mitad este Atlántico Completa (falta Baleares) Mitad este Galicia Completa (falta Cataluña y Bal.)



ESA - ADQUISICIÓN DIARIA IMÁGENES MERIS/ENVISAT. ISLAS CANARIAS


No adquisición Completa Parte este No adquisición Parte oeste Completa No adquisición

- Track 23 Track 37 - Track 66 Track 80 -


Completa Completa No adquisición Nula Completa Nula No adquisición

Track 109 Track 123 - Track 152 Track 166 Track 180 -


Completa Parte este No adquisición Completa Parte este No adquisición Casi completa

Track 209 Track 223 - Track 252 Track 266 - Track 295


Casi completa No adquisición Parte este Completa No adquisición Nula Completa

Track 309 - Track 338 Track 352 - Track 381 Track 395


No adquisición Nula Completa Nula No adquisición Completa No adquisición

- Track 424 Track 438 Track 452 - Track 481 Track 495


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.


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)


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:

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/m3) estimado para la masa de agua

denominada “Embalse de Santillana”.

0.00 - 0.15

0.15 - 0.20

0.20 - 0.30

0.30 - 0.40

0.40 - 0.50

0.50 - 0.60

0.60 - 1.00

1.00 - 2.00

2.00 - 10.00

10.50 - 100.00

0

0 - 25

25 - 35

35 - 42,5

42,5 - 50

50 - 52,5

52,5 - 65

65 - 75

75 - 80

80 - 87,5

87,5 - 100

No dato

Hay sequía

No hay sequía

NDDIE

NDDI


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.


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


5.2 Imágenes MERIS

Figura 9 Metodología de análisis para imágenes MERIS

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