Detección del Desierto Florido con Imágenes Satelitales Carlos

Detección del Desierto Florido con Imágenes Satelitales
Carlos Pattillo *
Consuelo Castro *
Alvaro Zuniga *
* P. Universidad Católica de Chile
ABSTRAC
In the frame of project FONDECY 1100400 “Dunas de Caldera y Copiapó, Tercera Región y su
Relevancia como Recurso y Lineamientos para su Ordenación Territorial”, that aims to
evaluate different land uses in the dunes areas of the Atacama Region, an specific study was
conducted to delineate the area where sporadic vegetation is an important tourist activity and
biological diversity is in danger. This presentation shows the methodology to obtain the bloom
area that occurs when abnormal wet years happens in the Atacama Desert. The Normalized
Difference Vegetation Index was used to process LANDSAT and ASTER images obtained over
the study area.
Astonishing differences can be observed in the spectral response from satellite images taken in
a dry year (2007) and a wet year (2010).
RESUMEN
En el marco del proyecto FONDECY 1100400 "Dunas de Caldera y Copiapó, Tercera Región y
su Relevancia como Recurso y Lineamientos para su Ordenación Territorial", que tiene como
objetivo evaluar diferentes usos del suelo en las áreas de dunas de la Región de Atacama, un
estudio específico se llevó a cabo para delimitar el área donde la vegetación esporádica es una
importante actividad turística y la diversidad biológica está en peligro. Esta presentación
muestra la metodología utilizada para obtener el área de floración que se produce cuando
ocurren años húmedos anormales en el desierto de Atacama. El Índice de Vegetación de
Diferencia Normalizada fue utilizado para procesar imágenes LANDSAT y ASTER obtenidas
sobre el área de estudio.
Se pueden observar diferencias asombrosas en la respuesta espectral captada por imágenes
de satélite tomadas en un año seco (2007) y un año húmedo (2010).
1.- Antecedentes Generales:
Los sensores montados en satélites de observación de recursos naturales, captan la energía
reflejada por los diferentes objetos que componen un paisaje, en rangos de longitudes de
onda que abarcan desde el sector azul al infrarrojo cercano. La mayoría de estos sensores
graban el rango verde, rojo e infrarrojo cercano y algunos pocos el azul y otros rangos en el
infrarrojo medio y lejano o termal, de ahí su nombre de multiespectral.
El comportamiento espectral de la vegetación se caracteriza por el valor que toma cada rango
espectral de acuerdo al pigmento que realiza la fotosíntesis (modifica los valores en la parte
“visible”, es decir el azul, verde y rojo) y a la estructura física de la vegetación (tipo de hojas,
ramas y troncos), que modifica la energía reflejada en el rango del infrarrojo cercano.
Por ejemplo, si el pigmento es clorofila, que absorbe las longitudes de onda azul y rojo y casi
nada el verde, la vegetación se verá de color verde en el rango visible. En el infrarrojo, en
cambio, si las hojas son anchas y de tejido blando, reflejará mucho en el infrarrojo (por
ejemplo el pasto, trébol, etc.) y si las hojas son angostas o tipo acículas como el Pino, de tejido
más duro, reflejará menos en el infrarrojo cercano.
Si se grafica este comportamiento, se observarán curvas como se muestran en la siguiente
figura:
%
Veg. con Clorofila
R
e
f
Veg. con Xantofila
Veg. con Clorofila
Azul Verde Rojo
Infrarrojo Cercano
Long. Onda
Figura N° 1: Curvas Características Espectrales de la Vegetación
Estas curvas teóricas se ven modificadas por el ancho del rango de la longitud de onda y por la
resolución espacial del sensor, que producen un promedio cuyo valor se aleja de la curva
teórica y/o se confunde con otros objetos diferentes pero que sus promedios son parecidos.
Para visualizar los datos del sensor se debe elegir sólo 3 de los 4 o más rangos espectrales
tomados y los colores resultantes que se verán en la pantalla dependerán del valor más alto de
los tres. Por ejemplo, si se leen los rangos azul, verde y rojo y se asignan a los filtros azul, verde
y rojo de la pantalla (Color Natural), la vegetación con clorofila se verá en tonos de verdes y la
vegetación con xantofila en tonos de rojo y, si se seleccionan los rangos espectrales verde, rojo
e infrarrojo cercano y se asignan a los filtros azul, verde y rojo de la pantalla (Infrarrojo Color o
Falso Color Convencional), todos los tipos de vegetación se verán en tonalidades de rojo.
Ambos ejemplos se muestran en la siguiente figura:
Color Natural (Azul, Verde, Rojo)
Infrarrojo Color (Verde, Rojo, IRC)
Figura N° 2: Visualización de la Vegetación
Como se mencionó anteriormente, el valor que capta el sensor se ve modificado por la
resolución espacial. Esto es notable en zonas desérticas donde, por una parte, la vegetación es
de hojas pequeñas y/o muy duras, su cobertura es baja y está rodeada de terrenos de alta
reflectancia, como son las arenas.
En la Figura N°2, lo que se ve de vegetación es aquella correspondiente al Valle de Copiapó
pero si hay escaza vegetación en los cerros de alrededor, ésta simplemente no se logra
visualizar y el terreno se ve en tonos azules.
2.- Fenómeno del Desierto Florido.
Cada cierto número de años, en la región de Atacama, se produce una llovizna o humedad
anormal por la intensidad de la Camanchaca y se activan semillas de pastos y plantas que
estaban en período de latencia. Estos pastos y plantas generan un aumento de la densidad
vegetacional, son de textura generalmente blandas por su rápido crecimiento y florecen en
primavera. Este fenómeno se conoce como “Desierto Florido” y es un espectáculo muy
hermoso y de gran atractivo turístico.
Este efecto se logra captar sin problemas en las imágenes de satélite, incluso en aquellos de
muy baja resolución como es la serie NOAA de 1km x 1km de pixel. En la figura siguiente, se
muestran dos imágenes Landsat tomadas en la misma época del año pero una sin desierto
florido (2007) y la otra con el fenómeno totalmente visible (2010).
Desierto Florido
FCC: Landsat 24-07-2007 Sin Desierto Florido
Landsat 24-07-2010 Con Desierto Florido
Figura N° 3: Presencia de Desierto Florido
Una forma de extraer automáticamente las áreas que presentan el fenómeno del desierto
florido es mediante el uso del “Índice Vegetacional de Diferencias Normalizadas” o NDVI por
sus siglas en inglés. Este índice compara las diferencias entre el rango del Rojo (valores bajos
para la vegetación) y del Infrarrojo (valores altos para la vegetación) y su resultado se puede
asociar a la actividad fotosintética de la vegetación.
La fórmula utilizada es:
NDVI = (IRC – Rojo) / (IRC + Rojo)
Donde IRC son las cuentas digitales (0 a 255) en el rango del Infrarrojo Cercano y Rojo, las
cuentas digitales en el rango del Rojo (0 a 255). Si existe vegetación el IRC tendrá valores
mayores al Rojo y por lo tanto el NDVI será mayor a 0. En cambio, sin no existe vegetación, el
NDVI tendrá valores menores a 0. Los límites van de -1 a +1.
Teóricamente valores de NDVI sobre 0 es vegetación. Sin embargo por el problema de
promedio de información en el pixel y porque hay curvas de suelos en las cuales también se
cumple que el valor del Rojo es menor que el Infrarrojo, es necesario determinar el valor del
NDVI mayor a 0 que realmente sea vegetación. Esto se hace tomando muestras de suelo y
analizando sus valores de NDVI. Normalmente, aunque varía de acuerdo a los tipos de suelos,
el valor del suelo es del orden de 0.21.
Tomando esto en consideración, se clasificó como desierto florido valores de NDVI mayores a
0.21. Al resultado se le resto las áreas permanentes de vegetación (valle agrícola, humedales) y
se obtuvo el área que realmente es afectada por este fenómeno. Finalmente, esta
información, en formato raster, se convirtió a vector (polígonos).
La figura N° 4 muestra el resultado de este proceso.
Figura N° 4: Polígonos de Desierto Florido en Área de Estudio, más rutas de terreno.