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APLICACIÓN AL SECTOR MEDIOAMBIENTAL DE METODOLOGÍAS AVANZADAS CON SENSORES
HIPERESPECTRALES (I)
Sevilla, enero de 2011
Objetivos del proyecto:
- Desarrollo de nuevos métodos de trabajo en teledetección.
- Valoración de los sensores hiperespectrales como herramienta para la generación de información ambiental.
- Consolidación de un equipo capaz de dar soporte a proyectos de teledetección basados en nuevas tecnologías.
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- Contribuir con la política de la Comunidad Económica Europea en el ámbito del medio ambiente (Directiva Marco
de Aguas artículo 174 del Tratado) a alcanzar los objetivos de conservación, protección y mejora de la calidad
ambiental y la utilización prudente y racional de los recursos naturales.
- Apoyar el Programa de Naciones Unidas para el Medio Ambiente y el Plan para el Mediterráneo (1996), en el que
se encuentran consideradas específicamente las praderas de fanerógamas marinas.
FUNDAMENTOS
TELEDETECCIÓN:
Obtención de imágenes de la superficie terrestre mediante la medición de radiación electromagnética desde el aire o el
espacio exterior y su posterior tratamiento en el contexto de una aplicación. El término incluye la teledetección
aerotransportada y espacial.
Permite observar pequeñas bandas de absorción
o pequeñas modificaciones en la energía reflejada
Permite el estudio de transiciones
SENSORES HIPERESPECTRALES:
Sensores que registran la información en un conjunto de imágenes
espectralmente continuas (Kruse et al. 1995). Miden la radiación reflejada
en una amplia gama de longitudes de onda, pudiendo registrar
información en cientos de canales espectrales.
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OBJETO DE ESTUDIO. LOCALIZACIÓN:
Caracterización de fanerógamas marinas. Zona Parque Natural Cabo de Gata-Nijar
Estudio de afección por plagas de Procesionaria del Pino (Thaumetopoea pityocampa). Zona Pinares de Almonte
Estudio de procesos de decaimiento forestal en masas de pinares. Zona Sierra de los Filabres
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• Delimitación de las praderas
• Caracterización de las diferentes especies de fanerógamas
• Generación de una cartografía específica de detalle
FANERÓGAMAS MARINAS “Cymodocea nodosa y Posidonia oceanica”.
OBJETIVOS PARTICULARES:
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FASES
2. ADQUISICIÓN DE
IMÁGENES3. CAMPAÑA DE CAMPO
4. PROCESAMIENTO
DATOS CAMPO
5. CORRECCIÓN
IMÁGENES
6. FASE DE ANÁLISIS
RESULTADOS:
•Cartográfico
•MetodológicoVALIDACIÓN Y CONTROL
DE CALIDAD
1. FASE DE
PLANIFICACIÓN
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FASE Campaña de campo. Propósito
Caracterización
atmósfera
Aerosoles
Irradiancia solar
Vapor de Agua
Caracterización bentos
Absorbancia
Reflectancia
Picos de absorción
Caracterización masa de agua
Reflectancia de la superficie del agua. Medidas auxiliares
Conductividad
Irradiancia ascendente/descendente
en la columna del agua
Temperatura
Profundidad
Velocidad y dirección del
vientooleaje
PAR
Transparencia O.D.
Fluorescencia
Control del ángulo cenital
de observación. Θ=40º
Spectralon 25%
Fibra óptica
Control del ángulo azimutal
respecto del sol.
Sensor
Estructura diseñada para la
radiometríaMedida de Irradiancia de
la columna de agua
Caracterización de la columna de
agua con CTD
Caracterización de las fanerógamas
marina en laboratorio
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MODELO NUMÉRICO DE
TRANSFERENCIA RADIATIVA REFLECTANCIA DE
SUPERFIECIE
R
Velocidad del viento
Ángulo cenital solar
Cobertura nubosa
Radiancia emergente del agua Lw
Radiancia del cielo Ls
Radiancia del espectralón
REFLECTANCIA DE LA SUPERFICIE DEL AGUA.
Modelización de la superficie del agua (rugosidad, oleaje) para la obtención de reflectividades de superficie.
FASE Procesamiento datos campo
FIRMAS PATRÓN.
Obtención de los espectros de cada una de las fanerógamas y caracterización del estado.
Espectros puros de diferentes estados fenológicos de Posidonia oceanica Espectros puros de diferentes estados fenológicos de Cymodocea nodosa
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FASE Corrección de imágenes
A la izquierda, imagen Chris Proba de 28 de julio de 2008 con las correcciones radiométrica, atmosférica ygeométrica aplicadas. A la derecha, máscara obtenida.
Imágenes adquiridas:
- Imágenes satelitales CHRIS PROBA modo 2 (modo agua) de la Agencia
Espacial Europea.
- Imágenes provenientes de sensor CASI aerotransportado . Modos
espacial y espectral del ICC.
Los procesos de corrección están dirigidos a la obtención de imágenes en
las que se han minimizado las posibles alteraciones de la señal debidas a
efectos atmosféricos y defectos del sensor. Así mismo, mediante la
corrección geométrica se obtienen imágenes goerreferenciadas y por tanto
susceptibles de ser integradas en un SIG.
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FASE de Análisis. Clasificación supervisada.
Ejemplo de árbol de decisión.
Resultado obtenido una vez
implementado el árbol de
decisión. Los tonos verdes
corresponden con
vegetación, los tonos
anaranjados con suelo
desnudo y los morados a
superfices mixtas.
En la fase de análisis se utilizó como proceso de clasificación dirigida (supervisada) el árbol de decisión, modelo predictivo utilizado originalmente en
el campo de la inteligencia artificial. Un árbol de decisión lleva a cabo un test a medida que éste se recorre para alcanzar así una modelización
obtenida a partir de decisiones tomadas gradualmente. Cada “hoja” representa el valor obtenido en cada decisión y las “ramas” representan las
opciones posibles de acuerdo a la decisión tomada. Para considerar cada paso del proceso, el técnico debe estudiar pormenorizadamente las firmas
espectrales obtenidas en campo y registradas por las imágenes, para así obtener diversos indicadores (índices y band ratios) que permitan dirigir el
proceso de clasificación.
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RESULTADOS
Se observa, como era de esperar, una masa continua y densa
de pradera de Posidonia oceanica de extraordinario valor
ambiental, que sólo se ve interrumpida, en términos generales,
en los puntos de desembocadura de ramblas y torrenteras
capaces de dar lugar a abanicos aluviales sumergidos de
pequeña dimensión. Estos abanicos desplazan a la pradera al
enterrarla por acumulación de depósitos y quizás también por la
influencia de la turbidez que ocasiona la carga de sólidos en
suspensión de los cauces ocasionales.
El césped de Cymodocea nodosa aparece en la zona norte,
junto a Agua Amarga y en la Cala de San Pedro donde se
presenta también mezclado con Posidonia.
Cartografía derivada de la imagen CASI de 4x4 m. de resolución espacial. Zona de estudio completa.
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RESULTADOS El área de la Cala de San Pedro es la de
mayor diversidad de toda la zona de
estudio. La continuidad de la pradera de
Posidonia se interrumpe, especialmente en
la parte más interna y de menor profundidad
de la cala, con manchas considerablemente
extensas de césped de Cymodocea nodosa.
Se aprecia entre ambas zonas otra
superficie relativamente amplia de transición
entre el césped de Cymodocea y la pradera
densa de Posidonia. Esta zona tiene un
aspecto característico donde se alternan
manchas de entre 10 y 20 m2 de Posidonia
con manchas similares de Cymodocea,
apareciendo también manchas aisladas sin
vegetación o Cymodocea muy dispersa. A
todo el conjunto se ha denominado “Pradera
mixta” en la cartografía..
La zona exterior de la cala es fondeadero
libre para embarcaciones de recreo, y si
bien los fondeos debieran limitarse a la
amplia zona de arenas que divide a la
pradera de Posidonia a lo largo de una
superficie de contacto especialmente nítida,
curiosamente rectilínea y claramente visible
desde la superficie, a menudo estos fondeos
se realizan sobre la propia pradera. El daño
que producen las anclas de fondeo podría
ser responsable de la alteración de la
pradera (ver zona donde se sitúa el punto
de fondeo) quedando ésta invadida por
pasillos de arena que poco a poco van
agrandándose y dispersando la propia
pradera.
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CONCLUSIONES FINALES
CONDICIONANTES
1. Transparencia del agua.
2. Profundidad (30 m).
3. Relación Señal/Ruido.
4. Condiciones meteorológicas y de estado
de la mar: estado de la atmósfera + viento +
oleaje.
5. Fecha de captura de las imágenes: finales
primavera-principios de verano.
6. Diseño de campaña de vuelo.
SENSORES A EMPLEAR
•Deben permitir diferenciar con nitidez la
respuesta espectral de los dos tipos de
fanerógamas presentes.
•Espectros continuos en el rango espectral
que nos interesa (400-900 nm)
•Factor precio en la elección del sensor
(Chris Proba sin costes).
METODOLOGÍAS
DESARROLLADAS
•Mejora de la corrección atmosférica.
•Eliminación de la columna de agua
•Procedimiento de clasificación supervisada.
BIBLIOTECAS ESPECTRALES
•Cymodocea nodosa
•Posidonia oceanica
•Sustratos
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