Satellite imagery in water management and land use

Resumen

Los ecosistemas de la Tierra están constantemente cambiando a consecuencia de las actuales condiciones naturales y atmosféricas y de la presión ejercida por las actividades humanas. Monitorizar el medio ambiente y su estado ayuda a transformar el círculo vicioso que existe entre los impactos derivados del cambio climático, la degradación del ecosistema y el aumento del riesgo de desastres. La interpretación de parámetros biofísicos obtenidos por teledetección puede suplir o complementar los métodos clásicos de monitorización de la vegetación (ej., visitas de campo, fotointerpretación o análisis de datos auxiliares). El uso exclusivo de técnicas tradicionales no resulta lo suficientemente eficaz para adquirir la dinámica de la vegetación, ni en estudios a largo plazo ni en grandes áreas, pues se trata de técnicas laboriosas, anticuadas y frecuentemente costosas. El lanzamiento de la plataforma satelital Sentinel-2 (S2) B, desarrollada y operada por la Agencia Espacial Europea (ESA), en marzo de 2017 ha permitido a la Comunidad Científica obtener de forma gratuita datos multiespectrales de alta resolución cada cinco días. El sensor Multiespectral (MSI) a bordo de S2 ha superado las características de la tradicionalmente utilizada familia de satélites de Observación de la Tierra (OT) Landsat, operada conjuntamente por la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA) y el Servicio Geológico de Estados Unidos (USGS). En Enero de 2020, la Dirección General de Industria de Defensa y Espacio de la Comisión Europea (DG-DEFIS) ha sido creada para desarrollar y consolidar todas las actividades de la Unión Europea (UE) relacionadas con el espacio dentro de un único Programa Espacial Europeo, asegurándose el liderazgo en el ámbito espacial a nivel global. La Parte I introduce el estado del arte, la motivación y los objetivos perseguidos en esta Tesis Doctoral. Presenta las dos preguntas de investigación en que se ha basado este trabajo: “¿Qué parámetros biofísicos están disponibles como productos completos, abiertos y gratuitos?” (respondida por la Parte II) y “¿Cómo vincular la interpretación de parámetros biofísicos y las necesidades de los agentes interesados a nivel local?” (respondida por la Parte III). La primera pregunta transmite una mejor comprensión de los productos de parámetros biofísicos disponibles de forma gratuita y de su idoneidad para monitorizar el medio ambiente. La segunda pregunta se centra en la interpretación de índices de vegetación y de agua, calculados con datos satelitales multiespectrales abiertos de alta resolución, con el objetivo de abordar las necesidades de los agentes interesados a nivel local, poniendo énfasis en el cumplimiento de políticas europeas, concretamente la Política Agrícola Común (PAC), la Directiva Marco del Agua (DMA) y la Estrategia de Biodiversidad 2020 (BS). La Parte II destaca la disponibilidad de productos ya procesados y cualificados de índices bio-geofísicos en Copernicus: el programa europeo completo, abierto y gratuito de OT. El programa Copernicus consta de tres componentes: espacial, servicio e in-situ. Los productos de índices bio-geofísicos están disponibles dentro del Servicio Global de Monitorización de la Tierra (CGLS) y cubren el mundo cada 10 días con resoluciones espaciales medias a bajas. El análisis se centra en las Medidas Naturales de Retención de Agua (NWRM) debido a la amplia gama de Servicios Ecosistémicos (ES) potencialmente proporcionados, como la protección frente a riesgos naturales (ej., inundaciones o sequías), contribuyendo a lograr objetivos políticos. La idoneidad de los productos para monitorizar NWRM y sus beneficios se ha evaluado mediante una revisión científica. Diagramas de flujo sencillos se han diseñado para orientar a los usuarios finales de los productos, dependiendo de la NWRM y/o beneficio a monitorizar, sobre el índice bio-geofísico adecuado y la calidad que se puede esperar del producto en CGLS. Los índices bio-geofísicos tradicionales, especialmente el Índice de Vegetación de Diferencia Normalizada (NDVI), sobresalen por su idoneidad y calidad. La baja resolución espacial de los productos en CGLS, de 300 m y 1 km, representa una desventaja significativa. Los estudios a nivel local requieren de datos satelitales de mayor resolución. Por ello, la Parte III de esta Tesis Doctoral pretende vincular la teledetección satelital y las necesidades de los agentes interesados a nivel local con objeto de cumplir las políticas europeas mencionadas anteriormente. Los casos de estudio seleccionados son las cuencas hidrográficas más grandes de España e Italia, correspondientes a los ríos Duero y Po, respectivamente. Las herramientas y enfoques desarrollados, basados en dato satelital y código abiertos, persiguen los siguientes objetivos: (i) mejorar la monitorización del uso del agua en agricultura y del tipo de cultivos, y (ii) mapeado y evaluación de los ecosistemas y sus servicios. Las herramientas son potencialmente adaptables a nuevas necesidades, otras cuencas y escalas europea a global. Los valores de NDVI, calculados con datos del sensor MSI de S2, son utilizados como principal dato de entrada. Los valores de NDVI son utilizados individualmente para caracterizar la salud y vigor de la vegetación en un momento determinado, mientras que las firmas anuales permiten diferenciar los tipos de vegetación. La fusión de S2 con otros datos satelitales también es estudiada: (i) en la cuenca hidrográfica del Duero, con datos del sensor Operational Land Imager (OLI) de Landsat 8 (L8), para aumentar la resolución temporal del conjunto de datos de entrada y, con ello, la posibilidad de utilizar imágenes sin nubes; (ii) en la cuenca hidrográfica del Po, con conjuntos de datos locales de Copernicus que definen zonas de ribera y la red Natura 2000 en productos paneuropeos armonizados. Las herramientas de Sistemas de Información Geográfica (SIG) de escritorio y web, desarrolladas complementariamente para la Confederación Hidrográfica del Duero (software HidroMap©), utilizan valores de NDVI e información espacial (delimitaciones de parcelas, derechos de riego, uso del suelo y áreas no autorizadas para el riego) para detectar automáticamente parcelas agrícolas regadas sin derecho de riego. Se da mayor prioridad a las superficies regadas más grandes localizadas en áreas con escasez de agua, no autorizadas para el riego (DMA). Además, la clasificación de cultivos se realiza automáticamente utilizando Ensemble Bagged Trees (EBT). EBT es un clasificador de aprendizaje automático cuya eficiencia y precisión se han incrementado dividiendo la cuenca en regiones espaciales agroclimáticas y aplicando filtros agroclimáticos al conjunto de datos de entrada de NDVI. Actualmente, la Oficina de Planificación Hidrológica (OPH) y la Comisaría de Aguas (CA) utilizan las herramientas para, de acuerdo con los resultados, desarrollar estrategias de gestión del uso del agua y planificar eficientemente las visitas de la guardería fluvial. En cuanto a la cuenca hidrográfica del Po, el enfoque desarrollado mejora la aplicabilidad del producto local de Copernicus de Zonas de Ribera para identificar NWRM, detectar su capacidad para ofrecer ES de regulación y evaluar la condición en que se encuentran. La condición de las NWRM se interpreta utilizando los indicadores de condición de ES definidos por la iniciativa de la Agencia Europea del Medio Ambiente (EEA) sobre Mapeado y Evaluación de los Ecosistemas y sus Servicios (MAES). Los indicadores seleccionados se evalúan mediante teledetección satelital. El NDVI se complementa con el Índice de Vegetación Mejorado (EVI) y el Índice de Agua de Diferencia Normalizada (NDWI) para interpretar la respuesta ecológica y de estrés hídrico, que definen atributos funcionales del ecosistema. El modelo generado detecta la necesidad de restauración que presentan las NWRM y, por tanto, puede ayudar a responsables políticos y de toma de decisiones a planificar estrategias de gestión ambiental conformemente. Como se concluye en la Parte IV, esta Tesis Doctoral demuestra el potencial de los parámetros biofísicos obtenidos por teledetección para contribuir a la política y a la toma de decisiones a nivel ambiental. Además, las herramientas y enfoques desarrollados abordan necesidades de los responsables de la toma de decisiones en cuanto a la disponibilidad de los datos, posibilidad de monitorizar a largo plazo y accesibilidad a datos de alta resolución espacial. En primer lugar, el software HidroMap© ha demostrado ayudar a la OPH y la CA de la Confederación Hidrográfica del Duero a monitorizar el uso del agua en agricultura y los tipos de cultivo, cumpliendo con la PAC y la DMA. En segundo lugar, el modelo desarrollado de NWRM ayuda a los Estados Miembros de la UE con el mapeado y evaluación de los ecosistemas y sus servicios, cumpliendo la Acción 5 de la BS 2020: “Mejorar el conocimiento de los ecosistemas y sus servicios en la UE”. El logro de estos objetivos políticos contribuye al uso sostenible de los recursos naturales, medidas efectivas de planificación espacial, medidas de adaptación y mitigación del cambio climático, y a la reducción y protección frente al riesgo de desastres. Finalmente, se destaca la importancia de reunir a una amplia gama de representantes involucrados en la investigación de OT y en políticas ambientales y socioeconómicas (ej., científicos, usuarios finales, organismos de servicio público, industrias, responsables de la toma de decisiones y de la elaboración de políticas). La relevancia de esta colaboración se ha demostrado a través de la aplicación exitosa de herramientas basadas en OT para la toma de decisiones y elaboración de políticas o estrategias, vinculando la teledetección satelital y las necesidades de los agentes interesados. El objetivo final es maximizar los beneficios de los datos y servicios del programa Copernicus. Este enfoque permitirá el desarrollo de una estrategia interdisciplinaria de OT en la UE que aborde demandas sociales evolutivas.