ES2249159B1 - Procedimiento para la discriminacion y cuantificacion de olivar con cubiertas vegetales mediante teledeteccion con sensores de alta resolucion espacial. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para la discriminación y cuantificación de olivar con cubiertas vegetales mediante teledetección con sensores de alta resolución espacial. 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 olivar. Estas consisten en el mantenimiento de cubiertas vegetales entre las hileras de árboles y sobre el suelo desnudo con objeto de frenar el impacto de las gotas de lluvia sobre el terreno, reducir la erosión y aumentar la infiltración del agua de lluvia. El procedimiento objeto de la patente facilitaría una herramienta de alta precisión que tendría numerosas aplicaciones agro-ambientales, entre las principales se podrían destacar: 1) discriminar las fincas de olivar con y sin cubiertas vegetales en amplias zonas geográficas del resto de los usos de suelo, 2) estimar el porcentaje de cobertura (o de superficie) que ocupan los olivos individuales y las cubiertas vegetales en las fincas agrícolas, 3) determinar el derecho o no a la percepción de ayudas / subvenciones destinadas a favorecer la técnicas de conservación según distintos reglamentos citados en el apartado anterior, y 4) estimar a gran escala la disminución del riesgo de erosión que puede presentar una zona agrícola en la que se han implantado cubiertas vegetales en comparación con otra en la que no se ha seguido esta técnica agronómica.
Description
Procedimiento para la discriminación y
cuantificación de olivar con cubiertas vegetales mediante
teledetección con sensores de alta resolución espacial.
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 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
olivar, así como la extensión relativa o porcentaje de cobertura,
lo que puede ser necesario para obtener el derecho de recepción de
ayudas/ subvenciones.
Recientemente se ha solicitado la patente
"Procedimiento para la discriminación de usos de suelo y
cuantificación de cubiertas vegetales mediante teledetección con
fotografía aérea" con Nº de solicitud 200401438. Esta patente
lleva inherente el uso de fotografía aérea, lo que conlleva la
cuantificación de cubiertas vegetales en zonas de superficie
reducida, es decir, se puede discriminar la presencia o no de
cubiertas y cuantificar su superficie en varias decenas de
hectáreas (escala de finca agrícola).
Sin embargo, el procedimiento que se presenta en
la solicitud de patente que nos ocupa implica la discriminación de
cubiertas vegetales y la cuantificación de la superficie que ocupan
a gran escala, es decir, en zonas agrícolas que comprenden como
mínimo 64 km^{2} que es la superficie mínima que en la actualidad
se puede adquirir con los satélites de alta resolución espacial. Lo
anterior significa que estas dos patentes son independientes o
complementarias. Así, si una empresa (o administración pública)
está interesada en cuantificar las cubiertas vegetales en una zona
agrícola en la que predomina el olivar (por ejemplo Úbeda, prov. de
Jaén), debería adquirir una imagen satélite de alta resolución
espacial (precio estimado actualmente en unos 2000
\euro) para rentabilizar al máximo sus trabajos siguiendo la metodología que se describe en esta solicitud de patente. Esto se debe a que en esa zona va a poder estudiar decenas de fincas ya que hay poca superficie no dedicada a olivar. En cambio, si la empresa debe cuantificar las cubiertas en un área en la que abundan otro tipo de cultivos, por ejemplo zona de campiña de Sevilla con predominio de trigo-girasol, le resultaría más rentable adquirir una fotografía aérea (precio estimado 300
\euro) y seguir la metodología que se describe en la solicitud de patente Nº 200401438 para estudiar exactamente la finca objeto de su interés.
El término teledetección se puede definir como
la adquisición de información sobre un objeto sin mediar contacto
físico con él mediante la medida y el registro de la energía
electromagnética que refleja o emite. Así mismo conlleva la
interpretación y relación de esta información con la naturaleza y
propiedades de dicho objeto.
Un sistema de teledetección se caracteriza por
la concurrencia de los siguientes procesos: 1) emisión de radiación
electromagnética desde una fuente de luz (normalmente el Sol), 2)
interacción de la radiación con la superficie terrestre, 3)
interacción de la radiación con la atmósfera, y 4) captura de la
energía reflejada en sensores remotos instalados a bordo de
plataformas aéreas (aviones) o espaciales (satélite). Dicha energía
se corresponde con diversas frecuencias (o longitudes de onda)
dentro del espectro electromagnético que va desde ondas de radio de
baja frecuencia, pasando por el espectro visible (bandas azul,
verde y roja), el infrarrojo y hasta los rayos X, gamma e incluso
cósmicos. Cada objeto o superficie terrestre presenta una forma
peculiar de emitir o reflejar energía que se conoce como firma
espectral (Chuvieco, 2002).
En teledetección es imprescindible conocer el
poder de resolución de un sensor para estudiar su funcionamiento y
sus aplicaciones, ya que de esta característica va a depender la
cantidad y calidad de la información registrada. De forma resumida
se explican a continuación los cuatro tipos de resolución que
normalmente se consideran:
Resolución espectral: indica el número y
la anchura de las bandas espectrales en las que el sensor es capaz
de medir la energía reflejada. Un sensor es más idóneo o específico
o de mayor poder de discriminación, cuanto mayor número de bandas
proporciona, ya que así se facilita la caracterización espectral de
un mayor número de cubiertas terrestres. El satélite QickBird (QB)
presenta la posibilidad de adquirirse según dos resoluciones
espectrales: pancromática (abarca una única banda que engloba la
zona visible del espectro: 450-900 nm) y
multiespectral (azul: 450-520 nm, verde:
520-600 nm, roja: 630-690 nm, e
infrarrojo cercano: 760-900 nm).
Resolución espacial: indica el nivel de
detalle que ofrece la imagen, esto es las dimensiones del objeto
más pequeño que puede ser distinguido en la misma. En la actualidad
el satélite que tiene la mayor resolución espacial del mercado es
el QB, con unas resoluciones de 0.7 m x 0.7 m en pancromático y de
2.8 m x 2.8 m en multiespectral. En épocas pasadas había una gran
diferencia entre la resolución espacial de las fotografías aéreas y
las imágenes de satélite, ya que éstas no ofrecían un tamaño de
píxel tan pequeño como el que se podía obtener con las fotografías
aéreas. Actualmente, una vez lograda una resolución espacial
elevada en los satélites, la gran diferencia entre las fotografías
aéreas y las imágenes QB se refiere a que con aquéllas se pueden
estudiar varias decenas hectáreas de superficie, mientras que con
las imágenes de satélite se pueden analizar varias decenas de
km^{2}. Por ejemplo la superficie mínima que se puede adquirir es
de 64 km^{2} en QB.
Resolución radiométrica: hace referencia
a la sensibilidad del sensor, a su capacidad para detectar
variaciones en la radiancia espectral que recibe. En un sensor
óptico electrónico, la radiación recibida se transforma a valores
digitales. El número de valores que se incluyen en el rango se
identifican con la resolución radiométrica del sensor. Cuanto mayor
sea la resolución radiométrica tanto mejor podrá interpretarse la
imagen. Nivel Digital: ("Píxel Value ") es pues el
valor entero que traduce numéricamente la intensidad radiométrica
recibida por un sensor óptico-electrónico.
Resolución temporal: también a este
parámetro se le conoce como "ciclo" o "revisita", y es el
intervalo de tiempo con el que se realiza la toma de datos sobre
una misma zona. El ciclo de cobertura es función de las
características orbitales de la plataforma (altura, velocidad,
inclinación), así como del diseño del sensor: ángulo de observación
y cobertura.
A continuación se exponen una serie de conceptos
básicos en los procesos de análisis de imagen y que se utilizarán a
lo largo de la presente memoria.
Filtros Digitales: se utilizan cuando se
trata de acentuar o atenuar determinados valores o rangos
radiométricos de una imagen mediante la modificación de la matriz
de datos numéricos que la constituyen. Esto se consigue aplicando
una transformación a la matriz digital mediante operadores locales,
bien para aproximar los valores digitales o los de los vecinos o
diferenciarlos aún más. Existen diferentes tipos de filtros, siendo
los de convolución (paso alto, paso bajo, mediana, direccionales y
laplacianos, entre otros) los más utilizados. En éstos, el valor
digital del píxel transformado es función de la media ponderada de
los valores digitales de los píxeles vecinos. En los de filtro de
paso alto y paso bajo se eliminan además los valores digitales de
baja y alta frecuencia, respectivamente. El filtro de mediana
consiste en sustituir el valor digital de cada píxel central de una
matriz 3 x 3 por la media de los 9 píxeles de ésta y se utiliza
para suavizar la imagen eliminando ruidos de fondo.
Índices de vegetación: son parámetros
calculados a partir de operaciones matemáticas entre bandas (o
valores digitales concretos) de la imagen a distintas longitudes de
onda. Su finalidad es extraer la información que se persigue y se
utilizan principalmente en dos escenarios: 1) para mejorar la
discriminación entre dos cubiertas con comportamiento reflectivo muy
distinto en esas dos bandas, y 2) para reducir el efecto del
relieve en la caracterización espectral de las distintas cubiertas.
El índice de vegetación ideal es aquel "particularmente sensible
a la cubierta vegetal, insensible al brillo y color del suelo, y
poco afectado por las perturbaciones atmosféricas". Dicho índice
evidentemente no existe y los que se encuentran en la bibliografía
son diversas aproximaciones al mismo (Sobrino, 2000).
El índice NDVI [(Infrarrojo - Rojo)/ (Infrarrojo
+ Rojo)] es el más utilizado en aplicaciones agronómicas debido a
su sencillez matemática, fácil interpretación y poder de
normalización de la respuesta espectral de sistemas de vegetación,
alcanzando un alto grado de correlación con diversos parámetros de
interés agronómico.
Clasificación digital: Es una alternativa
a la interpretación visual de la imagen que consiste en agrupar las
zonas que se asemejen bajo distintos aspectos de similitud
(Sobrino, 2000). Se trata de obtener una nueva imagen que condense
la información digital contenida en las distintas bandas espectrales
que conforman la imagen original, en la que cada nivel digital no
es más que un indicador de la categoría en la que se ha incluido el
punto al que corresponde. La imagen resultante se la puede
describir como un mapa temático, en la que cada clase o tema está
estadísticamente caracterizada por unos valores o clases
espectrales. Los procesos de clasificación habituales pueden ser
supervisados o no supervisados.
Los métodos de clasificación no
supervisados sólo requieren la intervención del operador para
la interpretación de los resultados. Detectan y localizan las
agrupaciones naturales de niveles digitales (ND) en una imagen sin
usar más información que la propia imagen o el resultado de
aplicarles alguna transformación. Luego, el usuario debe
identificar las agrupaciones y decidir a qué clase informacional
las asigna; las agrupaciones se basan en medidas de similitud de
los ND o de los grupos de ND; existen muy diversos algoritmos para
definir la similitud de los ND o grupos de ND.
Los métodos de clasificación supervisados
se caracterizan por el hecho de que es el usuario el que usando sus
conocimientos de la zona a la que corresponde la imagen, el que
maneja y orienta las clases que el algoritmo luego detectará.
Indica, pues, qué clases deben ser definidas o detectadas por uno o
varios algoritmos. Si las muestras son seleccionadas cuidadosamente,
el algoritmo funcionará posiblemente de forma efectiva.
Verificación de resultados: Mapas Verdad
Terreno y Matriz de confusión. El tratamiento digital de
imágenes es la manipulación de los datos digitales contenidos en
una imagen con ayuda de un procedimiento informático y con objeto
de proceder a su corrección, perfeccionamiento y/o extracto de
rasgos. Método numérico de selección de índices: Matriz de
Confusión. Se obtiene al comparar un mapa "ráster" obtenido de
una determinada clasificación (por ejemplo, del uso de un
determinado índice de vegetación), con otro mapa "ráster" que
representa la realidad del terreno verificada en campo (mapa
"verdad terreno"), para cada una de las variables
clasificadas. Se denomina de confusión porque recoge los conflictos
que se presentan entre categorías o clasificaciones.
En la matriz de confusión las filas indican
clases de referencia y las columnas categorías deducidas de la
clasificación. Lógicamente ambas tendrán el mismo número y
significado por ser una matriz cuadrada. La diagonal de esta matriz
representa el número de píxeles de verificación donde se produce
acuerdo entre las dos fuentes (mapa clasificado por el índice y
mapa "verdad-terreno"), mientras que los
marginales suponen errores de asignación. El interés de las tablas
de confusión proviene de su capacidad para plasmar los conflictos
entre categorías. De esta forma, se conoce la fiabilidad global de
la clasificación, y también la exactitud conseguida para cada una
de las clases, así como los principales conflictos entre ambas.
Para elegir el índice con el que mejores
resultados se obtiene en la discriminación de los usos de suelo se
ha empleado la matriz de confusión. Para ello, se compara la
clasificación llevada a cabo por cada índice, con la clasificación
del mapa "verdad-terreno", obteniéndose el
porcentaje de acierto en la clasificación. Se estimó la exactitud
total ("Overall Accuracy", OA) de cada índice de vegetación
y/o clasificación de uso de suelo obtenida en cada procesado de
imagen mediante el desarrollo de su "matriz de confusión", cuyo
desarrollo esquemático se indica a continuación.
La exactitud global es el porcentaje de píxeles
clasificados por igual en ambos mapas; se considera el porcentaje
de acierto total en la clasificación de un índice. Los residuales
en filas indican los usos del suelo del mapa "verdad- terreno"
que no se incluyeron en el mapa clasificado, mientras los residuales
en columnas implican usos del suelo del mapa clasificado que no se
ajustan al mapa "verdad-terreno"; en
definitiva, representan los errores de omisión y comisión,
respectivamente (Chuvieco, 2002). Más detalles se indican en la
Tabla 1.
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.
\bullet
\begin{minipage}[t]{150mm} (a),
(e), (i) número de píxeles de los usos del suelo US1, US2 y
US3 que coinciden en el mapa verdad-terreno
(MVT) y en el mapa resultante de la clasificación ( MRC ) para
los usos del suelo US1, US2 y US3 , respectivamente.
(b) y (c), (d) y (f), y (g) y (h) son los número de píxeles
clasificados como usos de suelo US1, US2 y US3 en
MRC , respectivamente, y clasificados de otra forma en el
MVT. La exactitud para cada uso de suelo es el porcentaje de
píxeles del MRC también así clasificados en el MVT , e
indica el grado de acierto en la clasificación de cada uso de
suelo. La Fiabilidad para cada uso de suelo es el porcentaje de
píxeles de cada uso de suelo del MVT clasificado como tal en
el MRC , e indica la coincidencia con la realidad. El índice
de exactitud global (IEG, Overall Accuracy= OA) es la media de los
índices de exactitud de cada uso de suelo, esto es el número de
píxeles correctamente asignado a cada uso de suelo globalmente e
indica el grado de acierto global de cada índice de vegetación o
procesos clasificatorio de la imagen. Los elementos de cada columna
de la tabla indican aquellos usos de suelo clasificados de esta
forma en el MRC que no concuerdan así en el MVT ; de
forma similar los elementos residuales de cada fila indican
aquellos usos de suelo así clasificados en el MVT que no
concuerdan así en el MRC .\end{minipage}
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 biofísicos 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 procedimiento descrito en esta patente tiene
una serie e ventajas, entre las que destacan: 1) posibilidad de
estudiar gran superficie de terreno utilizando sensores remotos a
un precio competitivo, 2) discriminación de los usos de suelos de
un área de alta productividad agronómica y en la que se puede
considerar que está representada la gran mayoría de cultivos propios
de muchas zonas de la agricultura mediterránea, y 3) posibilidad de
estudiar olivo con cubiertas, que sería el objetivo prioritario, y
comprobar la superficie ocupada por cualquier otro cultivo que
exista en la zona.
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; Civantos, 2001), 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 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. Posteriormente (la segunda
quincena de marzo), con objeto de interrumpir su ciclo de
crecimiento 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.
La técnica que se describe a continuación está
basada en procedimiento de análisis de imágenes de satélite que
permiten: 1) discriminar olivar del resto de cultivos de la zona,
las cubiertas vegetales y el suelo desnudo / suelo urbano,
entendiéndose como suelo desnudo aquellas zonas de dentro (ej.
alrededor de la copa de los olivos) o fuera de los cultivos (áreas
marginales) que no tienen ningún tipo de cobertura vegetal, y 2)
cuantificar el porcentaje de superficie que ocupan las cubiertas
vegetales en una determinada finca.
El objeto de la presente invención es un
procedimiento para la discriminación y cuantificación cubiertas
vegetales en olivar mediante teledetección con sensores de alta
resolución espacial que incluye restar una imagen A, a una imagen B,
para obtener una imagen C en la que se discrimina la cubierta
vegetal del olivar del resto de usos de suelo y se cuantifica la
superficie ocupada por dicha cubierta vegetal. La imagen A se
obtiene como resultado de un proceso de análisis de una imagen de
satélite multiespectral tomada por cualquier sensor que presente al
menos las bandas azul, verde, rojo e infrarrojo, y con una
resolución espacial alta que comprende los siguientes pasos:
- a)
- toma de una imagen georreferenciada multiespectral en el momento en que el cultivo de olivar ha finalizado la fase de floración
- b)
- aplicación del índice IR/R (infrarrojo/rojo) y de un filtro de paso bajo a la imagen de a), permitiendo discriminar suelo urbano y suelo desnudo del resto de usos de suelo
- c)
- eliminación de los usos de suelo discriminados en b)
- d)
- aplicación del índice NDVI (infrarrojo-rojo/infrarrojo+rojo) y un filtro de mediana a la imagen obtenida en c) que permite discriminar cultivos de viña, herbáceos y hortícolas del resto de usos de suelo
- e)
- eliminación de los usos de suelo discriminados en d) en la imagen resultante
- f)
- aplicación del índice A/V (azul/verde) y un filtro de mediana, permitiendo discriminar rastrojo de trigo y olivar con y sin cubiertas vegetales
- g)
- aplicación del índice NDVI y un filtro de paso largo al olivar discriminado en f) lo que da lugar a la imagen A.
La imagen B se obtiene como resultado de un
proceso de análisis de una imagen de satélite multiespectral tomada
por cualquier sensor que presente al menos las bandas azul, verde,
rojo e infrarrojo, y con una resolución espacial alta que comprende
los siguientes pasos:
- a)
- toma de una imagen georreferenciada multiespectral en el momento en que el cultivo de olivar está en fase de activo crecimiento vegetativo y no ha iniciado la floración, y el estado fenológico de las cubiertas vegetales es de inicio de encañado/espigado para especies gramíneas y de aparición de las primeras flores para especies de hoja ancha.
- b)
- aplicación del índice NDVI y dos filtros de mediana consecutivos, permitiendo discriminar olivar, con y sin cubierta vegetal, del resto de usos de suelo
- c)
- aplicación del índice NDVI y dos filtros de mediana consecutivos, permitiendo discriminar olivar con cubierta vegetal del olivar sin cubierta vegetal
- d)
- aplicación del índice NDVI al olivar con cubierta vegetal discriminado en c) lo que da lugar a la imagen B.
En una realización particular de este
procedimiento se utilizan imágenes de satélite georreferenciadas
multiespectrales tomadas por el satélite QuickBird. La resolución
espacial de los sensores es menor o igual a 4 m.
Otro objeto de la presente invención es la
utilización del presente procedimiento para discriminar y
cuantificar el porcentaje de superficie ocupada por las cubiertas
vegetales en olivar. Asimismo, y debido a que el procedimiento
tiene distintos pasos bien diferenciados, se puede detener en
cualquiera de los pasos intermedios descritos anteriormente en el
caso de que interese estudiar alguno de los cultivos o usos de
suelo que se discriminan en el mismo.
Figura 1. Pasos a seguir para discriminar
árboles de olivo del resto de los usos de suelo y la obtención de
la imagen A.
Figura 2. Pasos a seguir para discriminar suelo
desnudo de árboles de olivo y cubiertas vegetales y la obtención de
la imagen B.
En el procedimiento objeto de la presente
patente se utilizan imágenes del satélite QuickBird, disponibles ya
en el mercado, aunque también es posible utilizar imágenes de otros
satélites o sensores remotos que se puedan poner en funcionamiento
en lo sucesivo, siempre que tengan al menos las bandas Azul, Verde,
Rojo e Infrarrojo y que posean una alta resolución espacial (\leq4
m en multiespectral).
Se parte de una imagen georreferenciada
multiespectral (azul, verde, rojo e infrarrojo cercano) QuickBird
tomada en la zona en estudio cuando el cultivo de olivar ha
finalizado su fase de floración y las cubiertas vegetales están
desecadas. El procedimiento consistió en la discriminación de
parcelas de olivar con y sin cubiertas vegetales del resto de los
usos de suelo. Para ello se definieron los siguientes usos de
suelo: olivar, viña, rastrojo de trigo, cultivos hortícolas y
herbáceos, suelo desnudo y suelo urbano, entendiéndose como suelo
desnudo las zonas de dentro y fuera de los cultivos que no presentan
ningún tipo de cobertura vegetal. Posteriormente, se establecieron
5 parcelas para los diferentes usos de suelo que se habían definido
y a esta superficie se la denominó
"verdad-terreno". Dichas parcelas se
seleccionaron visualmente en un PC y posteriormente se verificaron
los usos de suelo definidos anteriormente mediante visitas en campo
y comprobación de coordenadas con GPS. A continuación se aplicaron
una serie de índices de vegetación y filtros para diferenciar los
usos de suelo descritos y separando éstos mediante el método de
clasificación supervisada por separación de clases. Posteriormente,
se evaluó su capacidad de discriminación en las parcelas
"verdad-terreno" a través de la matriz de
confusión.
La figura 1 presenta los pasos a seguir para
discriminar parcelas de olivar con y sin cubiertas vegetales, y
dentro de las parcelas de olivar, se describe también la
metodología para discriminar los árboles de olivo en cada parcela.
En la imagen final resultante, denominada imagen A, es
posible por tanto discriminar los árboles de olivo, pero no suelo
desnudo de cubierta vegetal. Esto se debe a que el índice aplicado
distingue vegetación (que en este caso sería olivo) de no
vegetación (que sería suelo desnudo) o cubierta vegetal seca, ya
que considerando que la imagen se tomó en verano, la cubierta está
desecada y no se discriminó suelo desnudo de cubierta seca. La
imagen A obtenida según la Figura 1 es de mucha utilidad
para la cuantificación de superficie sembrada con cubierta como se
verá más adelante en el apartado 4.3.3.
Se parte de una imagen georreferenciada
multiespectral (azul, verde, rojo e infrarrojo cercano) QuickBird
tomada en primavera en un momento en el que el cultivo de olivar
debe estar sin floración para que no haya interferencias en la
reflectividad de las imágenes y el estado fenológico de las
cubiertas vegetales debe ser inicio de encañado/espigado y
aparición de las primeras flores para especies gramíneas y de hoja
ancha, respectivamente. Al igual que con la imagen de verano, el
procedimiento consistió en la discriminación de olivar del resto de
los usos de suelo definidos en el apartado anterior siguiendo
también los pasos referentes a la clasificación y a las parcelas
"verdad-terreno" y "matriz de
confusión".
La figura 2 presenta los pasos a seguir para
discriminar parcelas de olivar con y sin cubiertas vegetales del
resto de los usos de suelo. En la imagen final resultante
denominada Imagen B, es posible por tanto discriminar árboles
de olivo y cubiertas vegetales de suelo desnudo. Esta imagen
B junto con la imagen A obtenida en el apartado 4.3.1
son imprescindibles para cuantificar la superficie ocupada por
cubiertas vegetales en las parcelas de olivar que, en definitiva,
es el último objetivo de la metodología desarrollada en esta
patente.
Una vez discriminadas las fincas de olivar con
cubierta vegetal del resto de los usos de suelo, el siguiente paso
fue obtener una clasificación (método no supervisado) de usos de
suelo (Imagen C) en la que se cuantifique en dichas fincas
el porcentaje de superficie que ocupan cada uno de los tres usos de
suelo definidos en las mismas: olivo, cubierta vegetal y suelo
desnudo. Es importante establecer que la cubierta vegetal debe
originar una cobertura del suelo de 60-70% y ello
se consigue con una alta densidad de plantas por m^{2} que en el
caso de gramíneas puede estar en tomo a 400-500
plantas por m^{2}.
Para ello fue necesaria la utilización de las
dos imágenes A y B obtenidas según los procedimientos
descritos en los apartados 4.3.1 y 4.3.2 (Fig. 1 y 2).
Por tanto, para obtener la imagen C, que
nos permite cuantificar la superficie ocupada por cubierta vegetal,
fue necesario restar a la clasificación realizada con la imagen
B, la clasificación obtenida con la imagen A.
Asimismo, y debido a que el procedimiento tiene
diferentes pasos bien diferenciados, se puede detener en cualquiera
de los pasos intermedios descritos anteriormente en el caso de que
interese estudiar cualquiera de los cultivos o usos de suelo que se
discriminan.
Para la realización de la invención hay que
seguir expresamente los pasos detallados en los apartados 4.3.1,
4.3.2 y 4.3.3 de la presente memoria.
El procedimiento de la técnica de teledetección
objeto de esta patente se ha aplicado en la zona de
Montilla-Espejo (Córdoba) porque en las
prospecciones terrestres realizadas se constató que reunía las
siguientes características: 1) aceptable variedad de cultivos que
es representativa de gran cantidad de comarcas de agricultura
andaluza (mediterránea), y 2) hay fincas de olivar con cubiertas
vegetales y sin ellas, lo que es imprescindible para la
clasificación de los usos de suelo que se perseguía.
La orografía de la zona es bastante llana
(altitud media de 379 m) y la agricultura está dominada casi a
partes iguales por cultivos leñosos: olivar (con y sin cubiertas
vegetales) y vid, herbáceos: trigo y girasol, y diversos
hortícolas. La clasificación de usos de suelo se realizó con
imágenes de satélite tomadas en julio y abril (satélite QuickBird).
En las imágenes de abril las cubiertas vegetales de las fincas de
olivar estaban verdes y en los estados fenológicos descritos en
apartados anteriores y en las imágenes de julio estaban
desecadas.
Para detallar un ejemplo de la invención hay que
partir de una imagen tomada en verano (julio). A partir de ahí se
siguen los pasos descritos en el apartado 4.3.1. y que consisten en
discriminar: 1) suelo urbano de suelo desnudo; 2) vid de cultivos
herbáceos y hortícolas); 3) rastrojo de olivar con y sin cubiertas
vegetales); y 4) una vez distinguidas las parcelas de olivar, se
aplica un paso más (NDVI+filtro de paso largo) y finalmente se
obtiene una imagen resultante, denominada imagen A en la que
es posible discriminar los árboles de olivo, pero no suelo desnudo
de cubierta vegetal.
A continuación hay que partir de una imagen
tomada en primavera (abril) de la misma zona de estudio. En dicha
imagen hay que ir desarrollando la metodología descrita en el
esquema del apartado 4.3.2. y que consiste en discriminar: 1)
parcelas de olivar con y sin cubiertas vegetales del resto de los
usos de suelo, y 2) olivar con cubiertas de olivar sin cubiertas.
Finalmente se aplica otro índice NDVI y se obtiene una imagen
resultante denominada Imagen B en la que es posible
discriminar árboles de olivo y las cubiertas vegetales del suelo
desnudo.
Finalmente para cuantificar la superficie
ocupada por cubiertas vegetales dentro de las parcelas de olivar,
es necesario obtener la Imagen C. Para ello, se le resta a
la imagen B que tiene discriminados los olivos y la cubierta
conjuntamente, la imagen A que tiene discriminados los olivos
solamente. Es decir: Imagen C = la Imagen B - Imagen A.
- HOJA nº 61. 1998. ORDEN de 14 de mayo de
1998, por la que se regulan las ayudas para fomentar en el
olivar el empleo de métodos de producción compatible con las
exigencias de protección del medio ambiente y la conservación del
espacio natural. Junta de Andalucía, Disposiciones Generales,
Consejería de Agricultura y Pesca.
- HOJA nº 90. 2003. ORDEN de 5 de mayo de
2003, por la que se establecen las normas de aplicación del
régimen de ayudas a la utilización de métodos de producción agraria
compatibles con el medio ambiente. Junta de Andalucía,
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Claims (6)
1. Procedimiento para la discriminación y
cuantificación de cubiertas vegetales en olivar, mediante
teledetección con sensores de alta resolución espacial, que incluye
restar una imagen A, a una imagen B, para obtener una imagen C en
la que se discrimina la cubierta vegetal del olivar del resto de
usos de suelo y se cuantifica la superficie ocupada por dicha
cubierta vegetal, caracterizado porque la imagen A se
obtiene como resultado de un proceso de análisis de una imagen de
satélite multiespectral tomada por cualquier sensor que presente al
menos las bandas azul, verde, rojo e infrarrojo, y con una
resolución espacial alta, que comprende los siguientes pasos:
- h)
- toma de una imagen georreferenciada multiespectral en el momento en que el cultivo de olivar ha finalizado la fase de floración
- i)
- aplicación del índice IR/R (infrarrojo/rojo) y de un filtro de paso bajo a la imagen de a), permitiendo discriminar suelo urbano y suelo desnudo del resto de usos de suelo
- j)
- eliminación de los usos de suelo discriminados en b)
- k)
- aplicación del índice NDVI (infrarrojo-rojo/infrarrojo+rojo) y un filtro de mediana a la imagen obtenida en c) que permite discriminar cultivos de viña, herbáceos y hortícolas del resto de usos de suelo
- l)
- eliminación de los usos de suelo discriminados en d) en la imagen resultante
- m)
- aplicación del índice A/V (azul/verde) y un filtro de mediana, permitiendo discriminar rastrojo de trigo y olivar con y sin cubiertas vegetales
- n)
- aplicación del índice NDVI y un filtro de paso largo al olivar discriminado en f) lo que da lugar a la imagen A,
y la imagen B se obtiene como
resultado de un proceso de análisis de una imagen de satélite
multiespectral tomada por cualquier sensor que presente al menos las
bandas azul, verde, rojo e infrarrojo, y con una resolución
espacial alta que comprende los siguientes
pasos:
- e)
- toma de una imagen georreferenciada multiespectral en el momento en que el cultivo de olivar está en fase de activo crecimiento vegetativo y no ha iniciado la floración, y el estado fenológico de las cubiertas vegetales es de inicio de encañado/espigado para especies gramíneas y de aparición de las primeras flores para especies de hoja ancha.
- f)
- aplicación del índice NDVI y dos filtros de mediana consecutivos, permitiendo discriminar olivar, con y sin cubierta vegetal, del resto de usos de suelo
- g)
- aplicación del índice NDVI y dos filtros de mediana consecutivos, permitiendo discriminar olivar con cubierta vegetal del olivar sin cubierta vegetal
- h)
- aplicación del índice NDVI al olivar con cubierta vegetal discriminado en c) lo que da lugar a la imagen B.
2. Procedimiento para la discriminación y
cuantificación de cubiertas vegetales en olivar según la
reivindicación 1 caracterizado porque las imágenes de
satélite multiespectrales son tomadas preferentemente por el
satélite Quick Bird.
3. Procedimiento para la discriminación y
cuantificación de cubiertas vegetales en olivar según las
reivindicaciones 1-2 caracterizado porque la
resolución espacial es igual o menor de 4 m.
4. Utilización de un procedimiento según las
reivindicaciones 1-3 para discriminar y cuantificar
el porcentaje de superficie ocupada por las cubiertas vegetales en
olivar.
5. Utilización de un procedimiento según las
reivindicaciones 1-3 para discriminar y cuantificar
cada uno de los usos de suelo discriminados en los distintos pasos
descritos en dicho procedimiento.
6. Utilización de un procedimiento según las
reivindicaciones 1-3 para discriminar y cuantificar
los cultivos de viña, herbáceos, hortícolas, y olivar.
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| Sociedad Española de Malherbología. Boletín nº 42 Febrero 2004, páginas 10, 11 "Determinación de usos de suelo y de cubiertas vegetales en el olivar de la zona Montilla-Espejo (Córdoba) en imágenes de satélite Ikonos y Quickbird" (GARCÍA PULIDO) * |
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