ES2245250B1 - Procedimiento para la discriminacion de usos de suelo y la cuantificacion de cubierta vegetal mediante teledeteccion con fotografia aerea. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para la discriminación de usos de suelo y la cuantificación de cubierta vegetal mediante teledetección con fotografía aérea. El presente procedimiento tiene aplicación en Agricultura, y más concretamente en Empresas de Asistencia Técnica Agraria o Medioambiental o bien en Auditorias Agroambientales Públicas o Privadas. Principalmente consiste en utilizar técnicas de teledetección para realizar un seguimiento preciso y a gran escala de los productores agrícolas que utilicen técnicas de conservación en cultivos leñosos. Éstas consisten en el mantenimiento de cubiertas vegetales entre las hileras de árboles para reducir la erosión del suelo, uno de los problemas agroambientales más importantes de la Cuenca Mediterránea. El procedimiento objeto de la patente facilitaría una herramienta de alta precisión que tendría tres objetivos: 1) determinar la existencia o no de cubiertas vegetales, 2) estimar el porcentaje de cobertura que éstas ocupan en las fincas agrícolas, y 3) determinarel derecho o no a la percepción de ayudas/subvenciones estipuladas según los reglamentos de varias administraciones públicas y destinadas a favorecer la implantación de las técnicas de conservación.
Description
Procedimiento para la discriminación de usos de
suelo y la cuantificación de cubierta vegetal mediante
teledetección con fotografía aérea.
Primer sector: Agricultura. Segundo sector:
Empresas de Asistencia Técnica agraria o Medioambiental, o bien
Auditorías Agroambientales Públicas (Administraciones Públicas) o
Privadas. El segundo sector se refiere al seguimiento de los
productores agrícolas que utilicen tecnologías de conservación en
olivar u otros cultivos leñosos consistentes en el mantenimiento de
cubiertas vegetales entre hileras de árboles con objeto de alcanzar
beneficios medioambientales como reducción de la erosión del suelo,
aumento de la lluvia infiltrada o disminución de la
evapotranspiración del suelo. La técnica de teledetección objeto de
esta patente permitirá que determinadas empresas, como por ejemplo
las auditorías agroambientales de las Administraciones Públicas o de
entidades privadas, discriminen la existencia o no de cubiertas
vegetales en cultivos leñosos así como la extensión relativa o
porcentaje de cobertura, lo que puede ser necesario para obtener el
derecho de recepción de ayudas/subvenciones.
La teledetección es una tecnología que consiste
en captar información de los objetos o accidentes que ocurren en la
superficie terrestre o en la atmósfera sin entrar en contacto
físico con ellos. Comprende la medida y el registro de la energía
electromagnética reflejada o emitida por éstos, y conlleva la
interpretación y relación de esta información con la naturaleza y
propiedades de éstos. La captura de la energía reflejada se lleva a
cabo mediante sensores remotos instalados en plataformas
aerospaciales (satélites y aviones) que registran la energía
reflejada correspondiente a diversas frecuencias del espectro
electromagnético que van desde las ondas de radio de baja frecuencia
pasando por el espectro visible (bandas azul, verde y roja) hasta
los rayos X, gamma e incluso cósmicos. Cada cuerpo o cubierta
terrestre presenta una forma peculiar de reflejar o emitir energía
que se conoce como signatura o firma espectral (Chuvieco,
2002).
En las investigaciones de teledetección es
esencial conocer el comportamiento o signatura espectral de cada una
de las diversas superficies o usos de suelo a las diferentes
longitudes de onda. La energía reflejada a las longitudes de onda
roja e infrarroja es sensible a las variaciones del cultivo y suelo
(Cloutis et al., 1996). Cultivos densos y sanos se
caracterizan por una elevada absorción de energía roja y una alta
reflectancia de la radiación infrarroja. Con frecuencia es
conveniente combinar estas medidas (y otras en otras bandas) en un
solo índice que resalte la sensibilidad a las variaciones en el
cultivo. Dichos índices son conocidos como índices de
vegetación. Hay un gran número de ellos, tantos como
operaciones matemáticas queramos definir. Sus ventajas son: 1)
aumentar las diferencias relativas entre los valores digitales que
caracterizan cada uso del suelo, 2) reducir el número de datos
obtenidos a un solo valor característico, 3) obtener valores
adimensionales que permiten su comparación espacial y temporal y,
4) en ocasiones, eliminar efectos indeseados de iluminación,
orografía, etc. (Jackson and Huete, 1991). Uno de los más conocidos
es el NDVI (Normalised Difference Vegetation Index). Una
actividad fotosintética alta, es decir una vegetación sana y
vigorosa, implica un alto valor de NDVI debido a una alta
reflectividad en la banda del infrarrojo cercano y una alta
absorción de energía en la banda roja. Por tanto, NVDI, calculado
con medidas en tierra (Kanemasu 1990), imágenes de satélite
(Anderson et al., 1993) o fotografías áreas (Denison et
al., 1996) presenta una alta correlación con la producción
final del cultivo.
Los trabajos sobre clasificación de los usos del
suelo mediante imágenes satélite de resolución espacial media/baja
o fotografías aéreas utilizando índices de vegetación se pueden
considerar como clásicos en teledetección y se han llevado a cabo en
áreas muy diversas: costeras, parques naturales, masas forestales,
zonas agrícolas, entre otras muchas. Citando los trabajos más
recientes, se han realizado estudios con objeto de detectar de
forma sistemática las anomalías en el desarrollo de los cultivos de
regadío en Aragón (López-Lozano y Casterad, 2003),
con el fin de monitorizar el crecimiento de cultivos con datos
biofisicos como altura de la planta, LAI y biomasa (Calera et
al., 2001; 2002), o con el objetivo de estimar el efecto a
largo plazo de los cambios en los usos de suelo sobre la
evapotranspiración de los cultivos utilizando imágenes Landsat 5 TM
y Landsat 7 ETM+ de 1982 a 2000 (Lanjeri et al., 2001; 2002)
en la zona de Castilla-La Mancha. También se están
obteniendo resultados en la teledetección de malas hierbas en
cultivos con sensores aerotransportados multiespectrales (Goel et
al., 2002).
El cultivo del olivo es de suma importancia en
la mayoría de países de la zona mediterránea (12.4 millones de ha.
de los que 2.4 están en España; C ivantos, 2 001), pero está
provocando cuantiosas pérdidas de suelo cultivable cada año. Para
que este cultivo se mantenga en el futuro es necesario reducir las
enormes tasas de erosión (una media de 40 a 80
ton/ha-año; Laguna, 1989;
Pastor-Muñoz y Castro-Rodríguez,
1997). Para ello, se han desarrollado las técnicas de agricultura
de conservación (también denominadas técnicas conservacionistas)
que promueven el cultivo de cubiertas vegetales (principalmente
gramíneas) entre las hileras y sobre el suelo desnudo del cultivo
leñoso (frutales o cítricos y olivar) con objeto de frenar el
impacto de las gotas de lluvia sobre el terreno y el arrastre de
sedimentos (García-Torres, 2000).
Desde 1999, la Unión Europea ha desarrollado una
serie de disposiciones para promover la conservación del suelo
agrícola y reducir su erosión (Reglamentos Europeos 1257/1999,
1259/1999 y, recientemente el 1782/2003), y que han sido
incorporadas a la Normativa Española por el Real Decreto 4, 2001.
Previas a esta normativa, el Gobierno Andaluz desarrolló de forma
pionera, una serie de Órdenes encaminadas a financiar ayudas a
aquellos agricultores que apliquen estas técnicas
conservacionistas, exigiendo que el mínimo porcentaje de cubierta
vegetal en la finca de olivar sea del 40% (BOJA, 1998; BOJA,
2003).
Determinar este porcentaje de cobertura
directamente en campo ("in situ") resulta prácticamente
inviable desde un punto de vista técnico y económico. Sin embargo,
las técnicas de teledetección son muy adecuadas por los siguientes
motivos: 1) el sensor utilizado (satélite o fotografía aérea)
registra lo que hay en campo (objetividad), 2) el procedimiento de
análisis de la imagen obtenida es rápido una vez se ha puesto el
método a punto, 3) permiten trabajar de forma secuencial, 4) evitan
los muestreos en campo (eluden problemas meteorológicos), y 5)
posibilitan la planificación de la toma de imágenes en el momento
oportuno y el retraso de su análisis el tiempo necesario, en caso
de que fuese necesario, sin perder por ello información.
Las cubiertas vegetales pueden ser de diferente
composición, si bien principalmente están constituidas por especies
de gramíneas u hoja ancha, bien de una sola especie o mezcla de
varias. Entre las más utilizadas están la cebada: (Hordeum
spp), distintas especies de Avena, vallico (Lolium
rigidum), crucíferas (Sinapis spp), o leguninosas
(Veza spp). Su objetivo es interceptar las gotas de agua de
lluvia y aumentar la velocidad de infiltración del terreno
(reduciendo la escorrentía). Asimismo, su presencia conlleva la
inexistencia de labores en campo evitando así la evapotranspiración
del agua del suelo. Las cubiertas se siembran a primeros de otoño
entre las calles del cultivo, germinan con las primeras lluvias y
se establecen durante la primavera (Figuras 1a y 1b). Posteriormente
(la segunda quincena de marzo), con objeto de interrumpir su ciclo
vegetativo y evitar competencia del olivo (u otro árbol frutal) por
agua y nutrientes, se siegan mecánica (con desbrozadoras) o
químicamente (con herbicidas de traslocación o acción total:
sulfosato o glifosato; Figuras 1c y 1d).
La técnica que se describe a continuación está
basada en el análisis de imagen de fotografías aéreas que permiten:
1) discriminar las cubiertas vegetales, el suelo desnudo y los
árboles del cultivo leñoso, y 2) cuantificar el porcentaje de
superficie que éstos ocupan en una determinada finca.
El objeto de invención de la presente patente es
un procedimiento para la discriminación de usos de suelo y la
cuantificación de cubierta vegetal mediante teledetección, que
comprende las siguientes etapas:
- a)
- toma de fotografía aérea color, posterior digitalización y análisis de imagen
- b)
- georreferenciación mediante GPS diferencial para asignar las coordenadas a las fotografías aéreas
- c)
- separación de bandas del espectro visible (azul: A, verde: V y rojo: R) a partir de los valores digitales asignados a cada píxel
- d)
- cálculo de índices de vegetación basados en las tres bandas separadas en el punto c)
- e)
- definición, mediante un proceso iterativo, de los niveles digitales frontera que caracterizan cada uso de suelo
- f)
- clasificación de la imagen por separación de clases, basada en los niveles digitales frontera definidos en el punto e)
- g)
- posterior selección de los índices de vegetación calculados en d) que proporcionan mayor precisión en la clasificación (porcentaje de píxeles correctamente clasificados), obtenida a partir de las matrices de confusión
- h)
- verificación de la exactitud de la clasificación mediante un mapa-verdad-terreno
- i)
- determinación de la superficie total y el porcentaje de cada uno de los usos del suelo.
Los índices de vegetación utilizados son A/R,
A/(V+R) y A/(A+V+R) y los intervalos de los niveles digitales
frontera definidos oscilan entre 0.60-0.90,
0.30-0.46 y 0.20-0.30 para cada
índice, respectivamente. Las fotografías aéreas se toman en
verano.
Otro objeto de la presente invención es la
utilización de este procedimiento para discriminar distintos usos
de suelo (cubiertas vegetales, suelo desnudo y árboles del cultivo
leñoso) y cuantificar el porcentaje de superficie ocupada por cada
uno de ellos. Este procedimiento puede utilizarse en cultivos de
árboles leñosos, preferentemente en olivar y cítricos.
Figura 1. Distintos estados fenológicos de las
cubiertas vegetales de gramíneas en olivar: a) y b) cubiertas
vegetales, entre los olivos, en pleno desarrollo y antes de su
siega química (foto tomada en marzo); c) y d) cubiertas vegetales
secas (foto tomada en verano).
Figura 2. Imagen del índice de vegetación
(A/A+V+R) en la que el color negro (en líneas) discrimina la
cubierta vegetal, el gris oscuro los árboles y en blanco el suelo
desnudo.
Figura 3. Subparcelas de verificación de 50 x 50
m de las 3 fincas: a)
mapas-verdad-terreno; b)
vectorización de los distintos usos del suelo; c) rasterización de
los distintos usos de suelo. En negro se representan los árboles,
en gris oscuro (en líneas) la cubierta vegetal y en blanco el suelo
desnudo
La técnica de teledetección objeto de la patente
se ha aplicado en varias fincas de olivar de unas 40 ha. de la
provincia de Córdoba (La Cubana, Cortijo del Rey y Matallana) en
las que las técnicas conservacionistas con siembra de cubiertas
vegetales están implantadas desde hace 8-10 años.
Se utilizaron fotografías aéreas color en verano en las que la
cubierta se encontraba totalmente desecada. Los usos de suelo que se
han discriminado son: suelo desnudo, cubierta vegetal y olivo.
También se han estudiado en todo este proceso fotografías aéreas
infrarrojo color en primavera y verano, pero no se han obtenido
resultados concluyentes. El siguiente esquema presenta los pasos a
seguir para desarrollar la metodología objeto de esta patente.
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(Esquema pasa a página
siguiente)
Varios días antes de la realización de cada
vuelo para la obtención de las fotografías aéreas, se visitaron las
fincas objeto de estudio para: 1) determinar el estado de
desarrollo y grado de cobertura de las cubiertas vegetales, de otros
usos de suelo y accidentes visibles en las imágenes (restos de
poda, montones de leña, pozos, entre otros) que fuera necesario
identificar; y 2) georreferenciar 30 puntos por finca en distintas
parcelas mediante el uso de un GPS diferencial (precisión
centimétrica). Posteriormente, dicha georreferenciación fue
utilizada como puntos de control para asignar las coordenadas de
las fotografías aéreas.
Las fotografías se digitalizaron utilizando un
escáner Hewlett Packard modelo ScanJet 4C, obteniéndose píxeles de
40 x 40 cm (635 ppi). Las fotografías digitalizadas se importaron
al programa informático de análisis de imagen que vaya a utilizar el
usuario Posteriormente se asignaron coordenadas geográficas a los
píxeles de la imagen para poder superponerla con la cartografia
existente. Dicha asignación de coordenadas de los 30 puntos de
control por fotograma, se efectuó basándose en la georreferenciación
in situ de las visitas a las fincas antes descritas, o
determinando puntos singulares en el mapa digital 1:10.000 de la
Junta de Andalucía.
Con los valores digitalizados asignados a cada
píxel (Niveles Digitales, de 0 a 255) se efectuaron diversas
separaciones de las bandas del espectro visible: Azul (A), Verde
(V) y Rojo (R) con objeto de operar matemáticamente (obtención de
índices de vegetación) con tales niveles digitales y obtener nuevas
imágenes que facilitaran la discriminación entre las superficies de
olivo, cubierta vegetal y suelo.
Los índices de vegetación seleccionados fueron
(A/R), (A/V+R) y (A/A+V+R) (Figura 2). La imagen obtenida de cada
índice se comparó mediante fotointerpretación con la imagen de las
fincas, observando si se podía identificar alguno de los usos del
suelo que se pretendían discriminar (suelo desnudo, cubierta
vegetal y olivo). Para ello, se establecieron en diversas zonas de
las fincas estudiadas una serie de "subparcelas de
entrenamiento", de 200 x 200 metros mediante recortes de la
imagen, a fin de perfeccionar la capacidad de interpretación visual
de los diversos índices.
Igualmente se establecieron una serie de
"minizonas de entrenamiento" de dimensiones de 40 x 40 metros,
en las que se distinguían con claridad los usos del suelo. En
dichas "minizonas", además del análisis visual, se efectuó una
estimación cuantitativa (análisis numérico) del grado de
discriminación entre usos de suelo, el cual se describe más
adelante.
La selección de los índices citados
anteriormente se realizó en base a que cumplían los siguientes
requisitos:
- 1.
- Discriminaban al menos uno de los tres usos del suelo en todas las "subparcelas de entrenamiento" de cualquiera de las tres fincas objeto de estudio.
- 2.
- Discriminaban al menos un mismo uso del suelo en todas las "minizonas" de las tres fincas objeto de estudio.
- 3.
- Alcanzaban la mayor "Exactitud Global o Precisión en la clasificación" (próxima al 85%) en las tres "minizonas de entrenamiento", siendo ésta el porcentaje de píxeles correctamente clasificados y calculándose a través de las matrices de confusión cuya mayor ventaja consiste en que eliminan los errores subjetivos que se cometerian en un análisis por comparación visual de las imágenes (Oetter et al., 2000). A su vez, para la obtención de la matriz de confusión es necesario realizar una clasificación de la imagen por separación de clases. Esto consiste en determinar sobre la imagen generada de cada índice seleccionado, los niveles digitales caracteristicos de cada uso de suelo y el nivel digital frontera entre ellos, procediéndose a clasificar la imagen en base a dichos valores de separación (Andreasen et al., 1997). La determinación de los niveles digitales frontera se realiza mediante un proceso iteractivo que escoge el valor óptimo que da lugar a una clasificación más exacta (Congalton, 1991). En la Tabla 1 se muestran los intervalos de los niveles digitales frontera para la discriminación de la cubierta vegetal utilizando los índices de vegetación estudiados. El nivel digital frontera óptimo, es decir, aquél que da como resultado la clasificación más exacta, está incluido en estos intervalo y su valor concreto varia según las minizonas de entrenamiento y la finca objeto de estudio.
Finalmente el usuario debería proceder a la
verificación de la clasificación de los distintos usos de suelo que
ha efectuado el índice con el que ha trabajado. Para ello, se
escogerá una "subparcela de verificación" de 50 x 50 m
por cada 10 ha. de superficie de la finca objeto de análisis con el
fin de utilizarlas como
"mapa-verdad-terreno" de
los usos de suelo presentes en la imagen (Figura 3a). Dicho mapa
será creado por el fotointerpretador mediante vectorización de los
bordes que se visualizan entre olivo, cubierta vegetal y suelo
desnudo dando lugar a un mapa-vectorial (Figura 3b).
A continuación dicho mapa-vectorial se rasteriza
(será convertido por el software de análisis de imagen que se esté
utilizando en un mapa ráster) creándose finalmente el
mapa-verdad-terreno (Figura 3c).
Existen programas que rasterizan directamente el mapa vectorizado,
sin embargo otros programas realizan un paso intermedio que
consiste en obtener un mapa de polígonos en el que se editan
los usos del suelo. Seguidamente, éste es el que se transforma en
un mapa ráster.
Por último, se cuantificará numéricamente la
exactitud global de la clasificación efectuada en la subparcela de
verificación aplicando la matriz de confusión entre
mapa-verdad-terreno y la imagen
clasificada por el índice utilizado. Dicha exactitud debe ser mayor
del 80%, ya que si es menor un gran número de píxeles se están
clasificando erróneamente. Además, la exactitud global de la finca
completa se determinará mediante el cálculo de la media de la
exactitudes globales (parciales) obtenidas en cada subparcela de
verificación.
Después de verificar la clasificación y
extenderla a la totalidad de la finca el programa de tratamiento de
imagen que haya elegido el usuario determinará automáticamente la
superficie total y el porcentaje de cada uso de suelo en la finca en
base a la georreferenciación efectuada.
Se parte de una imagen aérea en color
georreferenciada de la finca de olivar con cubiertas situada en
Cortijo del Rey (provincia de Córdoba). Con los valores
digitalizados asignados a cada píxel (Niveles Digitales de 0 a 255)
se efectuaron las diversas separaciones de bandas del espectro
visible en Azul (A), Verde (V) y Rojo (R) para poder operar
matemáticamente (obtención de índices de vegetación) con éstas y
obtener nuevas imágenes que faciliten la discriminación entre las
superficies de olivo (o frutales), suelo desnudo y cubierta
vegetal.
Los números de las celdillas en cada fotograma
corresponden al valor de la reflectividad captada por el sensor en
el píxel indicado, según la longitud de onda de que se trate (en
fotografía color, seria la de las bandas azul, verde y rojo). Dicho
valor se representa según una escala del 0 al 255, que van desde el
negro hasta el blanco, respectivamente, cambiando según niveles de
gris.
En la Figura 2 se muestra un ejemplo de uno de
los índices seleccionados (A/A+V+R) discriminando los tres usos de
suelo estudiados y representada en niveles de grises. Finalmente se
clasificó la imagen a través del método de "Separación de
clases" que consiste en determinar sobre la imagen generada por
el índice seleccionado los niveles digitales de cada uso de suelo y
el nivel digital frontera entre ellos para proceder en último
término a clasificar la imagen en base a estos valores de separación
o frontera.
En la Figura 3 se muestran las dos
clasificaciones de imagen obtenidas del índices (A/A+V+R).
\newpage
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compatibles con el medio ambiente. Ministerio de Agricultura, Pesca
y Alimentación, Madrid. BOE 12, 1587-1617.
Reglamento del Consejo Europeo 1257/ 1999. On
support for rural development from the European Agricultural
Guidance and Guarantee Fund (EAGGF) and amending and repealing
certain Regulations. Official Journal of the European Union,
Brussels, 160, 80-102.
Reglamento del Consejo Europeo 1259/ 1999.
Establishing common rules for direct support schemes under the
common agricultural policy. Official Journal of the European Union,
Brussels, 160, 113-118.
Reglamento del Consejo Europeo 1782/2003.
Establishing common rules for direct support schemes under the
common agricultural policy and establishing certain support schemes
for farmers, and on the common organisation of the market in olive
oil and table olives and amending Regulation (EEC) No 827/68.
Official Journal of the European Union, 270,
1-69.
Claims (5)
1. Procedimiento para la discriminación de usos
de suelo y la estimación de cubierta vegetal mediante
teledetección, que comprende las siguientes etapas:
- a)
- toma de fotografia aérea color, posterior digitalización y análisis de imagen
- b)
- georreferenciación mediante GPS diferencial para asignar las coordenadas a las fotografías aéreas
- c)
- separación de bandas del espectro visible (azul: A, verde: V y rojo: R) a partir de los valores digitales asignados a cada píxel
- d)
- cálculo de índices de vegetación basados en las tres bandas separadas en el punto c)
- e)
- definición mediante un proceso iterativo de los niveles digitales frontera que caracterizan cada uso de suelo
- f)
- clasificación de la imagen por separación de clases, basada en los niveles digitales frontera definidos en el punto e)
- g)
- posterior selección de los índices de vegetación calculados en d) que proporcionan mayor precisión en la clasificación (porcentaje de píxeles correctamente clasificados), obtenida a partir de las matrices de confusión
- h)
- verificación de la exactitud de la clasificación mediante un mapa-verdad-terreno
- i)
- determinación de la superficie total y el porcentaje de cada uno de los usos del suelo,
caracterizado porque los índices de
vegetación seleccionados son A/R, A/(V+R) y A/(A+V+R), y los
intervalos de los niveles digitales frontera oscilan entre
0.60-0.90, 0.30-0.46 y
0.20-0.30, para cada índice respectivamente.
2. Procedimiento para la discriminación de usos
de suelo y la estimación de cubierta vegetal mediante teledetección
según la reivindicación 1, caracterizado porque las fotos
aéreas se toman en verano.
3. Utilización de un procedimiento según las
reivindicaciones 1 y 2, para discriminar los siguientes usos de
suelo: cubiertas vegetales, suelo desnudo y árboles de cultivo
leñoso.
4. Utilización de un procedimiento según las
reivindicaciones 1 y 2 para cuantificar el porcentaje de superficie
ocupada por las cubiertas vegetales, suelo desnudo y árboles de
cultivo leñoso.
5. Utilización de un procedimiento según las
reivindicaciones 3 y 4, caracterizada porque los árboles de
cultivo leñoso son olivos y cítricos.
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