50 aplicaciones de la Teledetección

Las aplicaciones de la Teledetección son múltiples y, además, muy variadas. Se trata de un campo de aparición relativamente reciente y que aún se encuentra en un proceso de desarrollo que genera muchas expectativas.

La Teledetección puede utilizar múltiples plataformas para la toma de imágenes, como por ejemplo drones o satélites. Si bien, hemos de tener en cuenta, que puede ser necesario un tratamiento previo de la imagen tomada, como la aplicación de filtros, realces y mejoras visuales o correcciones, con el objetivo de mejorar la calidad visual de la misma para que sean más evidentes los rasgos de interés que pretendemos analizar.

Hay muchas ciencias que demandan actualmente el tratamiento de imágenes digitales, entre las que podemos destacar:

• Geografía
• Biología
• Geología
• Agronomía
• Oceanografía
• Arqueología

En el presente post vamos a comentarte una serie de problemáticas que podemos analizar y afrontar con la aplicación de la Teledetección y te mostraremos un ejemplo de aplicación con QGIS.

La observación terrestre a través de satélites en el espacio proporciona una información muy valiosa sobre el estado de la cubierta vegetal, marina y terrestre de nuestro planeta. A continuación, vamos a enumerar algunas de las principales áreas de estudio en las que las imágenes de satélite juegan un papel muy importante:

Agricultura

Alrededor del 37% de la superficie terrestre de nuestro planeta se emplea para fines agrícolas lo que supone cada vez mayores demandas a la agricultura y, al mismo tiempo, supone una degradación del medio por factores como la erosión, el agotamiento de minerales o la sequía.

En este campo, los satélites se aplican a la agricultura de varias formas en combinación con otras herramientas como las proporcionadas por un SIG.

1. Mapeo de los bosques del mundo. Empleando imágenes de satélite, los científicos han creado un mapa global que cuantifica la cantidad de madera de nuestros bosques, una clave para comprender el ciclo del carbono de La Tierra y, en última instancia, el cambio climático.

Los bosques juegan un papel crucial en el ciclo del carbono de La Tierra. En general, los bosques son “sumideros de carbono” ya que absorben y almacenan dióxido de carbono de la atmósfera. Los bosques que se talan o queman, sin embargo, liberan partes del carbono almacenado en la atmósfera.

• 2. Rendimientos de cultivos. La frecuencia sin precedentes de las observaciones de Sentinel captura los rápidos cambios en la producción agrícola desde la escala nacional hasta el propio campo, sirviendo como un importante apoyo para el monitoreo ambiental y el control de subsidios agrícolas. Los satélites Sentinel se utilizan, también, para estudiar los cambios en la agricultura de forma semanal, con una resolución de 10 metros y con una política de datos abiertos y gratuitos.

• 3. Política agrícola. La previsión del rendimiento de los cultivos se utiliza de forma operacional para abarcar zonas continentales, como Europa, a los efectos de las decisiones de política agrícola. Las técnicas también se están implementando en todo el mundo en áreas más críticas para apoyar programas de ayuda.

• 4. Seguimiento de catástrofes sobre cosechas.
• 5. Seguimiento de pastoreo nómada en los países más pobres del mundo
• 6. Silvicultura.
• 7. Usos del suelo.

Atmósfera

La atmósfera es la fuente de todo el aire que respiramos y, además, nos protege de las radiaciones dañinas. Aunque el cambio está en el aire, desafortunadamente la actividad humana en curso está alterando la composición de la misma, aumentando los niveles de dióxido de carbono, nitrógeno, metano o aerosoles, por ejemplo.

Los sensores en el espacio ayudan a detectar cambios invisibles a través de su sensibilidad a componentes químicos.

• 8. Calidad del aire. La contaminación del aire se vincula a millones de muertes en todo el mundo, por lo que se hace importante controlar el aire que respiramos. Por ello, se van a destinar recursos con el satélite Sentinel-5 del proyecto Copernicus, para el monitoreo de nuestra atmósfera.

• 9. Análisis de masas nubosas en tiempo real.
• 10. Predicción de huracanes.
• 11. Efectos de los cambios de estación sobre la cubierta vegetal.
• 12. Química atmosférica.
• 13. Estudio de variables referentes al cambio climático.
• 14. Predicción de precipitaciones.
• 15. Medición de cambios en la capa de ozono.
• 16. Modelado meteorológico para el pronóstico del tiempo.
• 17. Modelado de procesos de radiación.
• 18. Medición de los vientos y apoyo a proyectos de energía renovable eólica.

Suelos

La corteza terrestre está en constante movimiento, impulsada por cambios geológicos graduales que, ocasionalmente, se aceleran, en forma de terremotos o volcanes.

La vigilancia espacial nos muestra que el suelo bajo nuestros pies no es tan sólido como parece.

• 19. Tectónica o actividad sísmica. El East African Rift es un área donde dos placas tectónicas se están separando, lo que la convierte en una región de alta actividad geológica, hogar de varios volcanes. Las imágenes del Envisat pueden detectar el desplazamiento de la superficie con precisión centimétrica desde una altitud aproximada de 800 kms.

• 20. Estudio y medición del geoide de La Tierra.
• 21. Monitoreo de variaciones locales y globales del campo geomagnético, precursoras del cambio climático.
• 22. Prevención de eventos sísmicos de fuerza considerable.

Aguas

Toda la vida en nuestro planeta depende de la superficie de agua dulce que se encuentra, principalmente, en forma de ríos, lagos y humedales. Como zonas de alta biodiversidad, a menudo mantienen a poblaciones locales con el sustento de agua potable por lo que requieren de un estudio cuidadoso con el objetivo de su protección. Estas masas de agua deben su existencia al ciclo del agua, con el vapor de agua transportado desde los océanos por evaporación hasta caer en el suelo, mientras la lluvia se remonta al mar con la ayuda de la gravedad.

Como todo proceso impulsado por energía solar, el ciclo del agua puede verse interrumpido por el calentamiento global.

• 23. Calidad del agua. El monitoreo de la calidad de las masas de agua continentales es crucial en áreas de escasos recursos hidrológicos como África. Además, existe una creciente necesidad de monitorizar los efectos de la contaminación en nuestro ciclo del agua. Esto incluyen mapas de turbidez causada por partículas en el agua, muy importantes para el seguimiento de los sedimentos de actividades agrícolas o vertidos industriales.

• 24. Gestión de recursos hídricos.

Superficie terrestre

La superficie terrestre de nuestro planeta representa el terreno más variado de todo el sistema solar, transformado gradualmente por el movimiento geológico, el clima atmosférico y la actividad biológica sostenida. Su evolución continúa hasta el día de hoy, ayudada por la humanidad: los desiertos se expanden, los bosques se despejan y las ciudades crecen.

• 25. Dinámica lunar.
• 26. Explotación de recursos naturales. Empleando las bandas infrarrojas del satélite Landsat podemos identificar nuevos yacimientos de recursos como, por ejemplo, petróleo.

• 27. Expansión urbana. Con el análisis de imágenes de satélite en diferentes periodos sobre un núcleo urbano, podemos identificar aquellas áreas de nueva construcción.

• 28. Control de la humedad presente en el suelo.
• 29 Creación de Modelos Digitales de Elevaciones (MDE) y cambios en áreas de hundimiento y levantamiento de tierra.
• 30. Apoyo al desarrollo industrial.
• 31. Planificación y control poblacional.
• 32. Estudio del entorno y cambios en los humedales.

Océanos y costas

Siete décimas partes de la superficie de nuestro planeta está cubierta por mares y océanos. Estos son el motor de nuestro sistema climático, absorbiendo aproximadamente la mitad de la energía solar alrededor del ecuador para alimentar poderosas corrientes que se extienden hasta los polos.

Sus aguas también proporcionan gran parte del aire que respiramos, pues las poblaciones microscópicas de fitoplancton realizan la mitad de toda la fotosíntesis, a pesar de formar menos del 1% de la biomasa global. Además, los océanos absorben gran parte del dióxido de carbono adicional producido por la actividad humana, evitando que el calentamiento global empeore.

• 33. Geomorfología costera. Nuestras costas están en continuo cambio debido a la erosión, cambio del nivel del mar e impacto humano. El monitoreo de dicho cambio es el enfoque principal de esta aplicación como un aporte para el manejo de nuestras áreas costeras.

• 34. Estudio de la variabilidad estacional y espacial de las áreas de pesca.
• 35. Estudio de la proliferación de algas y distribución del fitoplancton.
• 36. Estudio de corrientes oceánicas y topografía.
• 37. Medición del movimiento de la superficie del océano.
• 38. Medición de la temperatura de la superficie del mar.

Nieve y hielo

Una décima parte de la superficie terrestre de nuestro planeta está ocupada de forma permanente por capas de hielo o glaciares, pero el dominio de la criosfera se extiende tres veces más.

La criosfera es un importante regulador del clima global, su albedo refleja la luz solar al espacio y su presencia influye en el clima regional y las corrientes oceánicas globales.

• 39. Análisis de capas de hielo y nieve. Gracias a las imágenes de satélite Landsat podemos conocer como los cambios climáticos afectan entornos de latitudes altas. Así, por ejemplo, los cambios en la temperatura del aire y la precipitación invernal han afectado al tiempo, duración y espesor de la capa de hielo en los lagos del Ártico.

• 40. Estudio del comportamiento del hielo marino.
• 41. Estudio de la migración de la fauna en las masas de hielo.
• 42. Movimientos de icebergs para enrutamientos náuticos.

Desastres naturales

Nos encontramos en un momento en el que nos preguntamos si la frecuencia de desastres naturales está aumentando, o bien, las sociedades humanas nos estamos volviendo más susceptibles a ellas.

En los últimos años, los satélites de observación de La Tierra se han convertido en un nuevo activo a disposición de los equipos de respuesta ante emergencias, pues permiten realizar, de forma rápida, mapas de daños que ayudan a guiar a los equipos de rescate.

• 43. La sequía. Con el empleo de imágenes de satélite, los científicos están mejorando su comprensión en la relación entre sequías y olas de calor, con la previsión de que ambas se incrementen a consecuencia del cambio climático.

• 44. Predicción de terremotos y erupción de volcanes.
• 45. Identificación de puntos calientes en incendios.
• 46. Monitoreo de inundaciones.
• 47. Predicción de ruta en huracanes.
• 48. Predicción y prevención ante deslizamientos de tierra.
• 49. Seguimiento de fugas petrolíferas.

50. Ejemplo: Vigilancia de incendios forestales con QGIS

Una de las aplicaciones más importantes de los Índices de Vegetación es aquella orientada a los riesgos de incendios forestales. Estos pueden permitir la creación de sistemas de evaluación de peligro con el objetivo de la planificación de actividades de planificación de incendios.

Los incendios son indicadores en las áreas donde es necesario llevar a cabo determinadas medidas como la reducción de combustibles, la asignación de recursos antes y durante el desarrollo de temporadas de incendios, etc..

En este caso, vamos a poner como ejemplo el incendio que afectó a la isla de Madeira (Portugal) el 10 de agosto de 2016. Para su análisis, nos apoyamos en unas imágenes MODIS descargadas con ayuda del plugin Semi-Automatic Classification, sobre las que hemos calculado el NDVI y, después, hemos caracterizado su simbología para poder interpretar visualmente el alcance del incendio.

Los valores más bajos del NDVI se concentran en la zona del incendio.

Una vez se analizan y comparan los resultados del cálculo del NDVI en imágenes anteriores y posteriores al incendio, podemos emplear una ecuación para identificar de forma cuantitativa las áreas calcinadas. Esta ecuación se denomina Índice de Calcinación Normalizado (NBR, Normalized Burn Ratio).

Este índice compara matemáticamente las bandas del infrarrojo cercano e infrarrojo de onda corta 2 (bandas 5 y 7 respectivamente de Landsat 8) para determinar la gravedad de la calcinación.

Para calcular el NBR la ecuación sería:

(NIR – SWIR) / (NIR + SWIR)

Además, podemos calcular la diferencia NBR (dNBR) entre dos imágenes, antes y después del incendio, lo que nos da idea de la gravedad de la calcinación, y cuya fórmula es:

DNBR = NBR_prefire – NBR_postfire

Todas estas operaciones de cálculo con la ejecución de fórmulas podemos realizarlas utilizando la Calculadora de bandas del plugin o, también, otras herramientas como la Calculadora ráster de QGIS o incluso la herramienta BandMath del proveedor Orfeo.

Podemos ver que los valores más altos de dNBR representan una severidad del fuego más alta (por supuesto, debemos excluir la cobertura de nubes de esta imagen).

Para una evaluación precisa de la gravedad del incendio deberíamos comparar estos valores de dNBR con la medición in situ. Podríamos monitorear la recuperación de la vegetación repitiendo el cálculo de NBR y dNBR de las imágenes adquiridas varios meses después del incendio.

El mismo método se puede aplicar a las imágenes Sentinel-2, en cuyo caso deberíamos descargar la banda 8A y la banda 12 para el cálculo NBR. Por último, podríamos realizar clasificaciones de la cubierta terrestre para identificar especies de vegetación y mejorar la identificación del área quemada.