}

Cartografia via satèl·lit d'incendis forestals

2006/07/01 Bastarrika Izagirre, Aitor - Kartografia eta Geodesia ingeniaria eta Topografia Ingeniaritza Teknikoko irakasleaEHU | Martinez Blanco, M. Pilar - Kartografia eta Geodesia ingeniaria eta Topografia Ingeniaritza Teknikoko irakasleaEHU Iturria: Elhuyar aldizkaria

La cartografia de les zones cremades a nivell mundial és bàsica per a analitzar la influència dels gasos dels incendis en el canvi climàtic. En un àmbit més reduït també és important l'elaboració de cartografia de les zones cremades per a avaluar les implicacions econòmiques i ecològiques i prendre possibles decisions. En tots dos casos, la teledetecció ofereix una excel·lent oportunitat per a realitzar la cartografia.
Cartografia via satèl·lit d'incendis forestals
01/07/2006 | Bastarrika Izagirre, Aitor; Martínez Blanco, M. Pilar | Enginyers de Cartografia i Geodèsia i Professors d'Enginyeria Tècnica Topogràfica

Incendis actius observats per Modis Rapid Response System en l'última setmana de febrer de 2006
en vermell
(Foto: ANDANA (GSFC)/UMD)
La teledetecció és un tècnic que obté i utilitza imatges per satèl·lit. En cas d'incendis forestals se sol utilitzar en diverses fases. Abans de l'incendi, serveix per a obtenir la informació necessària dels models utilitzats per a calcular el risc d'incendi, conèixer l'estat hídric o la temperatura de la vegetació, etc. Durant l'incendi es pot anar estudiant el desenvolupament i l'extensió del mateix gràcies a la teledetecció. Finalment, també s'utilitza per a avaluar l'impacte després de la finalització de l'incendi, amb la finalitat d'elaborar la cartografia de la zona cremada, informació sobre el grau d'afecció causat

obtenció i seguiment del procés de recuperació.

Incendis i els seus efectes

Els incendis forestals, els incendis de matolls o arbustos i l'agricultura per crema tenen una gran influència sobre el medi ambient, des de l'escala més baixa fins a la més alta. La desforestació intencionada altera totalment els paisatges locals. A nivell regional, els incendis afecten l'estructura i composició de la vegetació en els ecosistemes de fenòmens naturals, com els boscos boreals i la garriga mediterrània, així com al cicle biogeoquímic i hidrologia. Així mateix, els incendis forestals tenen una gran influència en el canvi climàtic en generar gasos i partícules (aerosols) que contribueixen a aquest efecte hivernacle.

Esquema de l'espectre electromagnètic.
A. Bastarrika; M.P. Martínez

Cada ecosistema respon al foc d'una manera diferent, per la qual cosa depenent de l'ecosistema, l'incendi pot tenir conseqüències diferents. Per tant, a més de conèixer la localització i extensió dels incendis, és imprescindible conèixer les característiques de les zones cremades.

No obstant això, a pesar que els incendis tenen una gran incidència a nivell mundial, generen una major atenció a escala menor (regional o local). Els incendis mediterranis són un exemple d'això: es té en compte com afecten l'economia i al medi ambient de la regió, però els efectes mundials no s'analitzen.

Sensors de teledetecció

Treballar amb imatges per satèl·lit té grans avantatges. En primer lloc, permet investigar fenòmens amb una visió global, ja que s'obtenen imatges de gairebé tothom de manera sistemàtica i en situacions d'observació similars. D'altra banda, la diversitat de sensors permet que els satèl·lits facin treballs multi-escala i amb objectius. A més, els nostres ulls reben informació d'altres zones de l'espectre electromagnètic que no perceben. Així, molts fenòmens es veuen millor, com les zones cremades.

(Foto: D'arxiu)
Hi ha molts tipus de sensors. Per exemple, es poden diferenciar passius i actius. Els passius reben la radiació electromagnètica del Sol reflectida pels objectes terrestres. Els actius, per contra, emeten ones a la Terra i després els objectes reben una resposta traduïda. Aquestes ones són normalment microones i són molt efectives per la seva capacitat de travessar boires.

També es poden classificar els sensors en funció de la resolució. Existeixen tres tipus de resolució: resolució espacial, espectral i temporal. La resolució espacial es defineix com la mesura de l'element més petit de la imatge, és a dir, la grandària del píxel. La resolució espacial més alta és d'al voltant d'un metre i la més baixa d'uns quilòmetres. La resolució espectral es defineix com el nombre de zones espectrals sensibles, és a dir, el nombre de bandes. Actualment existeixen sensors de molt alta resolució espectral (poden contenir centenars de bandes) anomenats hiperespectrales. Finalment, la resolució temporal pot variar d'uns minuts a un mes, la qual cosa indica la freqüència amb què es pren la imatge d'un mateix espai rural.

Aquestes tres resolucions estan en cert equilibri. Els sensors d'alta resolució temporal solen tenir una baixa resolució espacial i espectral, i s'utilitzen habitualment en meteorologia. Per contra, les persones amb alta resolució espacial presenten una baixa resolució temporal i espectral.

Incendis i sensors

Incendi Bunyol Estiu 1991 a València: Banda 4 de la imatge Landsat-TM (infraroig pròxim) i superposada cartografia de la zona cremada (línia vermella).
(Foto: Dpto. Geografia de la Universitat d'Alcalá)

Fa dues dècades es van començar a realitzar estimacions per satèl·lit de la superfície cremada mitjançant la detecció d'incendis actius. Aquesta detecció es basa en els alts nivells de radiació produïts per la temperatura dels incendis (banda d'uns 3,6 mm). Però no era molt útil, ja que el satèl·lit passava amb massa freqüència per a conèixer el desenvolupament exacte de l'incendi. A més, el fum i les boires provocades per l'incendi impedeixen en molts casos la detecció de l'incendi.

Per això, els sensors i les bandes han de seleccionar-se per zones per a obtenir resultats satisfactoris. Per exemple, per a la detecció d'incendis actius s'han utilitzat sensors d'alta resolució temporal com NOAA-AVHRR, AQUESTA-ATSR i, a partir de l'any 2000, EOS-MODIS. Aquest últim sensor proporciona dades d'alta qualitat, les imatges estan georreferenciadas i els efectes de l'atmosfera i les boires estan corregits i calibrats. Basant-se en aquestes imatges, han desenvolupat un producte estàndard a nivell mundial: MODIS MOD14 Fire and Thermal Anomalies Product . Uneix els incendis actius detectats diàriament en una resolució espacial d'un quilòmetre.

No obstant això, al no ser adequades les deteccions d'incendis actius per a mesurar les zones cremades, s'han desenvolupat altres tècniques. Aquestes tècniques es basen en la detecció dels canvis produïts pels incendis, com són la deposició de cendres i carbó, la desaparició o alteració de la vegetació.

A nivell regional, a més dels ja esmentats sensors NOAA-AVHRR i EOS-MODIS, s'ha treballat bastant amb altres sensors de resolució espacial mitjana com a ESPOT-VEGETATION. A més, a aquest nivell, i també a nivell local, és molt comú utilitzar imatges dels satèl·lits Landsat-TM i Landsat ETM+. A més de tenir una bona resolució espacial, tenen una resolució espectral adequada (espectre visible, infraroig pròxim, infraroig mitjà i banda tèrmica) i són molt eficaces per a cartografiar les zones cremades. La majoria dels sistemes cartogràfics nacionals de les zones cremades es basen en aquestes imatges.

Imatge Landsat-ETM+ de l'incendi ocorregut a Guadalajara en l'estiu de 2005
infraroig mitjà, infraroig pròxim i composició de colors de la banda vermella
(Foto: Dpto. Geografia de la Universitat d'Alcalá)
En l'última dècada s'han desenvolupat satèl·lits que capturen imatges d'alta resolució espacial, com a ICONES de Space Imaging i QUICKBIRD de DigitalGlobe. A pesar que el seu grau de detall és molt alt, la seva menor resolució espectral (només l'espectre visible i pròxim), no són tan bons per a incloure en el mapa les zones cremades.

Què mesurar?

Abans de realitzar qualsevol tipus de cartografia amb teledetecció és imprescindible conèixer com es comporten els elements que es volen plasmar en el mapa en les diferents zones de l'espectre. És el que es coneix com a signatura espectral i, una vegada coneguda, es poden detectar objectes a partir d'imatges.

La característica espectral de les zones cremades està relacionada amb el temps transcorregut des de l'incendi, el mal causat i la vegetació prèvia, explicant els efectes a curt i llarg termini.

(Foto: -)

El canvi espectral a curt termini és conseqüència de la combustió de la vegetació, de la deposició de cendres i carbó, i produeix un canvi de color important en l'espectre visible (verd a negre o marró). Encara que aquest canvi no dura massa en el mitjà mediterrani, en els boscos boreals pot durar anys. El canvi és encara major en altres espectres, com per exemple en l'infraroig pròxim la reflectividad disminueix considerablement, sobretot en zones amb alt contingut en combustibles, a causa de l'alta generació de carbó.

En l'infraroig d'ona curta, la reflectància tendeix a augmentar a causa de la pèrdua d'aigua dels teixits vegetals. Per a molts investigadors, aquesta banda és molt adequada per a cartografiar les zones cremades, ja que la influència de la dispersió atmosfèrica és menor que en unes altres. Quant a les bandes tèrmiques, es pot apreciar un lleuger augment de la temperatura que desapareix immediatament després de l'incendi.

L'afecció a llarg termini és molt més estable, ja que es basa en el canvi que sofreix l'estructura de la vegetació. Però el canvi pot deure's a altres factors com el pasturatge, el vent, l'estrès hídric, la fenologia o els insectes. Per això, és molt difícil plasmar l'impacte a llarg termini en el mapa.

Metodologies per a la creació de cartografia

Representació del treball que realitza el satèl·lit Landsat 7.
ANDANA
Es poden distingir dues grans metodologies de cartografia de la zona cremada amb imatges per satèl·lit, l'anàlisi visual i l'anàlisi digital. L'anàlisi visual es basa en imatges posteriors a l'incendi o en imatges conjuntes abans i després d'aquest. Utilitzant les bandes que convinguin i realitzant les composicions de color adequades, es poden distingir bastant clarament les zones cremades. D'aquesta forma, la cartografia es realitza indicant en la pantalla de l'ordinador els punts que delimiten l'àrea cremada. Encara que la metodologia és lenta, és molt precisa perquè a més de treballar la percepció dels colors, els intèrprets experts combinen el context de la zona amb la informació de les estructures.

L'anàlisi digital és una metodologia molt més ràpida, però pot donar més problemes, encara que en alguns casos és més precís que l'anàlisi visual. Una dels majors avantatges de les metodologies digitals és l'automatització, ja que si es dissenyen algorismes ben controlats, només l'ordinador pot fer cartografia. Desgraciadament, els algorismes no funcionen bé en tots els casos i requereixen certa garantia visual.

Per a realitzar anàlisis digitals, sovint es creen noves dades a partir de dades bàsiques. És el cas, per exemple, dels índexs de zones cremades. Aquests índexs es basen en les operacions de les bandes d'origen i serveixen per a diferenciar millor les zones cremades d'altres zones.

Les anàlisis digitals poden tramitar-se de dues formes. Aquelles que utilitzen imatges amb alta resolució temporal es basen en la tècnica denominada captura de canvis. En aquesta tècnica es realitza una anàlisi de cada píxel al llarg del temps per a avaluar si hi ha hagut algun canvi en el seu comportament per incendi. De la forma més senzilla, l'anàlisi es realitza comparant les imatges d'inici i final de l'incendi. Els píxels que han canviat molt solen tenir valors elevats en aquests índexs cremats i es recullen en el mapa que estan cremats, sempre que tinguin característiques espectrals de les zones cremades.

Un exemple de cartografia d'un incendi.
A. Bastarrika; M.P. Martínez

En cas contrari, quan es treballa amb imatges de menor resolució temporal (i per tant amb major resolució espacial), normalment s'utilitzen imatges post-incendio. Al no ser comparables amb els valors anteriors, només es basen en les característiques espectrals dels píxels. Es pot realitzar mitjançant diferents mètodes, sent un dels més senzills el mètode d'assignació. En aquest cas, atès l'índex de zones cremades, en el mapa es recullen tots els píxels que superen un valor.

Línies de recerca

En els últims anys s'han investigat en tres àmbits. D'una banda, en el desenvolupament de nous índexs, per a millorar la diferència entre zones cremades i superfícies amb resultats espectrals similars. D'altra banda, són nombroses les recerques que s'estan duent a terme en l'avaluació del grau d'afecció. Finalment, s'està estudiant l'aplicació de la cartografia de la zona cremada a nivell regional i global, sobre la base dels nous sensors posats en marxa en els últims anys.

Volem donar les gràcies al Departament de Geografia de la Universitat d'Alcalá i especialment al catedràtic Emilio Chuvieco per les imatges cedides.

Mètodes de recollida de dades de zones cremades
Existeixen quatre mètodes bàsics per a obtenir informació sobre els camps cremats.
La primera tècnica es basa en el treball de camp i en observacions in situ . La cartografia de l'àrea cremada es realitza en camp. Només es registren algunes dades estadístiques generals i normalment només els del límit de l'àrea afectada. Aquest mètode requereix molt temps i diners per a dur-lo a terme, per la qual cosa només s'utilitza en àrees petites.
La segona metodologia utilitza tècniques més actuals com el GPS. Amb el GPS es pot realitzar un estudi detallat de les zones incendiades en poc temps. El grau de precisió depèn de l'utillatge utilitzat i de la mena d'observació. Aquesta mesura es pot realitzar a peu, amb cotxe o en helicòpter. A Espanya, els incendis de més de 100 hectàrees es recullen en el mapa amb aquesta metodologia, normalment mitjançant helicòpter, però no es tenen en compte els espais no cremats que queden dins de la zona cremada ni les dades del grau de combustió. Una dels avantatges és que es tracta d'una cartografia digital, per la qual cosa es pot treballar directament en qualsevol sistema d'informació digital.
La tercera metodologia es basa en la interpretació d'imatges en blanc i negre, color o infraroig procedents d'avions. Es necessiten persones amb gran experiència i coneixements, ja que es basa en criteris qualitatius subjectius. Serveix per a incloure en el mapa zones cremades de gran superfície, però pot ser car.
El quart mètode, basat en imatges per satèl·lit, és vàlid per a zones de diferents grandàries en funció de la resolució espacial dels sensors. La interpretació d'imatges digitals obtingudes a partir de naus espacials permet l'elaboració de cartografia de les zones cremades, a més de permetre un seguiment sistemàtic de les zones cremades, atès que els sensors reben imatges de manera contínua (en funció de la resolució temporal).
BIBLIOGRAFIA
Roy, D.P. ; Jin, I.; Lewis, P.E. ; Justice, C.O.
"Prototyping a global algorithm for systematic fire-affected area mapping using MODIS estafi sèries data".
Remote Sensing of Environment 97,
pag 137 - 162 (2005)
---
Projecte SPREAD: Literature review on methods to obtain burnt land maps.
Forest Fire Spread Prevention and Mitigation.
Edited by CSIC in close cooperation with the following SPREAD partners: UAH, USAL, MAICH, IBIMET, JRC.
---
Web Fire Mapper http://maps.geog.umd.edu/products.asp.
Bastarrika Izagirre, Aitor; Martínez Blanco, M. Pilar
Serveis
222
2006
Uns altres
027
Telecomunicacions
Article
Uns altres