Spectrodirectional sensors for monitoring american tropical dry forest's succession

Resumen

El bosque tropical seco es un ¿hot-spot¿ a nivel mundial no solo por la biodiversidad que engloba, si no por su fragilidad y por estar altamente amenazado por el impacto humano, al ser un ecosistema que provee de diversos servicios ambientales, dadas las características climáticas y ambientales que lo definen. En comparación con el bosque tropical húmedo, al bosque tropical seco se le ha prestado mucha menos atención en el ámbito científico y legislativo. Es por ello que es prioritario el estudio de este ecosistema a escala de paisaje, para desarrollar estrategias de gestión y conservación. El bosque tropical seco se ha deforestado durante siglos para ser sustituido por zonas de pastos para ganado, con fines agrícolas o para extraer maderas preciosas. A partir de los informes presentados por el Club de Roma en 1968 acerca del desarrollo económico en curso y los efectos sobre la sociedad y el medio ambiente (presentados en la Cumbre de Estocolmo en 1978), y en el informe Bruntland de la ONU en 1987, que desembocaron en la Cumbre de la Tierra de Rio de Janeiro en 1992 y en Johannesburgo en 2002, la presión internacional acerca del estado del medio ambiente y de la necesidad de preservarlo, llevaron a los gobiernos de muchos países a dictar legislación referente a la protección del medio ambiente dentro de sus territorios nacionales. Gracias a ello, en el caso del bosque tropical seco, se protegieron ciertas zonas dedicadas a la conservación del ecosistema, comenzando así un proceso de regeneración del bosque, o en términos ecológicos, de sucesión ecológica. Diversos estudios apuntan la necesidad de tener en cuenta el estado de desarrollo del bosque a la hora de estimar los servicios ambientales que pueden proporcionar, y de cara a la gestión de estos espacios. Por eso es necesario determinar la extensión y localización precisa del bosque tropical seco, especificando el estado de sucesión ecológica en el que se encuentra. La teledetección se erige como una herramienta de alta utilidad para estudios a escala paisaje, especialmente en ecosistemas que no sean de acceso fácil, como el bosque tropical seco. Además, es una herramienta que proporciona un monitoreo continuo a escala temporal y espacial a bajo coste. Hasta el momento los satélites en órbita eran capaces de identificar elementos de la superficie de la tierra, y en el caso de la vegetación, distinguen diferentes ecosistemas e incluso rasgos fenológicos de la vegetación. Sin embargo, no son capaces de proporcionar información acerca de procesos ecológicos al detalle, como el estado de sucesión ecológica en el que se encuentra el bosque tropical seco. Los satélites de nueva generación, como Chris Proba, apuestan por tecnologías hasta el momento poco exploradas, como sensores hiperespectrales y observación del objeto en estudio desde varios ángulos de observación. En esta tesis, queremos estudiar la capacidad de Chris Proba para indagar más en profundidad en procesos ecológicos como la sucesión ecológica, o la productividad de pastos tropicales. En una primera aproximación al estudio de las imágenes Chris Proba, se han analizado los valores de reflectancia de imágenes adquiridas para México, Nicaragua y Brasil (cubriendo todo el eje latitudinal de distribución del bosque tropical seco en el continente americano). Se han utilizado imágenes de la época seca y la época de lluvias con cinco ángulos de observación diferentes (-55º, -36º, 0º, +36º, +55º). Las áreas de trabajo corresponden con tres estadios sucesionales dentro del bosque tropical seco secundario (temprano, intermedio y maduro), que fueron caracterizados a partir de su estructura y composición florística. Las técnicas estadísticas empleadas incluyen un análisis de las firmas espectrales para cada ángulo de observación, estadio sucesional y estación del año y análisis de la varianza para cada una de las 18 bandas espectrales del sensor. Además se realizó un análisis multidimensional con las 18 bandas que ofrece este satélite y estudios estadísticos de separación espectral de los estados sucesionales del bosque tropical seco. Los resultados apuntan a que Chris Proba es capaz de distinguir los tres estadios sucesionales del bosque tropical seco en los tres puntos del continente americano estudiados en función de sus características espectrodireccionales, especialmente durante la época seca. Una vez demostrada la potencialidad de Chris Proba para la discriminación de estados sucesionales del bosque tropical seco (capítulo 2), se hace necesaria la elaboración de mapas de distribución de dichos estados sucesionales, que supondrá una herramienta real para la gestión de este tipo de espacio. Para el desarrollo del capítulo 2, se han utilizado imágenes del bosque tropical seco brasileño, por el alto conocimiento de campo que se tiene del área. Para la generación de mapas de clasificación, se han empleado modelos estadísticos no paramétricos, que se adaptan mejor a las características de la ecología del bosque tropical, que no se definen por una distribución normal de datos. Se han utilizado árboles decisiones como método estadístico. Se han analizado diversas combinaciones de variables a introducir en el modelo estadístico (nº de ángulos de observación y nº de estaciones del año) para dilucidar cuál es la mejor opción en la creación de un mapa de clasificación de estados sucesionales del bosque tropical seco, en función de los resultados de precisión de los mapas resultantes. Una vez habiendo explorado las técnicas apropiadas para generar un mapa de estados sucesionales de bosque tropical seco en área planas, nos enfrentamos al reto de elaborar un mapa de similares características en México, donde existe la dificultad añadida de la topografía del área. En el mundo de la teledetección, no se ha logrado una corrección radiométrica de los valores de reflectancia de píxeles afectados por sombras que crea el relieve con una precisión adecuada. Sin embargo, es del todo necesario tener mapas de los estados sucesionales del bosque tropical seco para la gestión del mismo, por lo que la limitación de la topografía debe ser superada, y éste es el interés de nuestro estudio. Para Chris Proba, además, se debe considerar el efecto del ángulo de observación en la iluminación de la superficie terrestre. Una vez las imágenes Chris Proba fueron corregidas atmosféricamente y ortorectificadas, se aplicó un algoritmo que utiliza el coseno del ángulo de incidencia solar para rectificar el efecto de las sombras generadas por el terreno. Se realizaron mapas de clasificación usando las imágenes Chris Proba antes y después de aplicar dicho algoritmo para cuantificar el error producido por las sombras en la identificación de los estados sucesionales del bosque tropical seco. La presente tesis presenta por primera vez mapas de sucesión del bosque tropical seco americano, una herramienta indispensable para la gestión de este ecosistema amenazado. Se abre una línea de trabajo en la monitorización de este fenómeno ecológico, puesto que una vez determinada la técnica más apropiada para realizar mapas de clasificación de los estados de sucesión del bosque seco, se podrán realizar mapas cada cierto tiempo para monitorizar y estudiar el progreso de la regeneración del bosque seco y la tasa se crecimiento del bosque. Tras los experimentos conducidos en la presente tesis, se ha llegado a la conclusión de que son necesarias técnicas más complejas de teledetección para monitorear y cartografiar fenómenos fenológicos, como la sucesión ecológica del bosque tropical seco. Queda demostrado que los sensores multiespectrales son insuficientes para la identificación de estados sucesionales del bosque tropical seco, mientras que los sensores hiperespectrales sí lo logran. Además, la observación multiangular que ofrecen pocos satélites (como Chris Proba), aportan nueva información acerca de la estructura del bosque tropical seco, que ayuda a la discriminación de estados de sucesión. Los resultados de esta tesis animan a continuar en estas líneas de trabajo (hiperespectrabilidad y multiangularidad), de cara al diseño de satélites y planificación de misiones espaciales en el futuro.