la componente global del servicio de superficie terrestre de

LA COMPONENTE GLOBAL DEL SERVICIO DE SUPERFICIE TERRESTRE DE
COPERNICUS: ESTADO DE LAS OPERACIONES Y EVOLUCIÓN PREVISTA
F. Camacho(1), R. Lacaze(2), B. Smets(3), I. Trigo(4), J-C. Calvet (5), A. Jann(6), F. Baret(7), R. Kidd(8), P. Defourny(9),
K. Tansey (10), P. Pacholczyk (11), G. Balsamo(12), B. Szintai(13)
(1)
EOLAB. C/Catedrático José Beltrán, 2. 46980 Paterna (Valencia), España. E-mail:[email protected]
(2)
HYGEOS, Toulouse, Francia, (3) VITO, Mol, Bélgica, (4) Instituto Portugês do Mar e da Atmosfera (IPMA), Lisbon,
Portugal,(5) Météo-France, Toulouse, Francia, (6) Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik, Vienna, Austria, (7)
Institut National de Recherche Agronomique, Avignon, Francia,(8) Technical University of Vienna, Vienna, Austria., (9)
Université Catholique de Louvain, Louvain-la-Neuve, Bélgica, (10) University of Leicester, Leicester, Reino Unido, (11)
Centre National d’Etudes Spatiales, Toulouse, Francia., (12) ECMWF, Reading, Reino Unido, (13) Orszagos
Meteorologiai Szolgalat, Budapest, Hungría
RESUMEN
Desde el 1 de enero del 2013 está operativo el servicio global de la superficie terrestre de Copernicus (Copernicus
Global Land Service) desarrollado a partir de los resultados del proyecto Geoland-2/BioPar. El Servicio Global de
Superficie Terrestre proporciona continuamente un conjunto de variables geo-biofísicas que describen el estado de la
vegetación, el balance energético en la superficie continental y el ciclo del agua a escala global con una resolución
espacial típica de 1 km. Las variables climáticas esenciales (ECVs) tales como el índice foliar (LAI), la fracción de
radiación PAR absorbida por la vegetación (FAPAR), el albedo de superficie (SA), la temperatura de superficie (LST),
la humedad del suelo (SWI), las áreas quemadas (BA) y las áreas de agua continental (WB), junto con la reflectividad
TOC, la productividad (DMP) y otros índices del estado de la vegetación, son generados cada hora, día o 10 días de
forma automática a partir de datos de Observación de la Tierra. Este trabajo presenta el estado actual del programa
Copernicus Global Land Service, así como las perspectivas futuras de una mayor resolución espacial (300m) que se
abren con el lanzamiento de PROBA-V y SENTINEL-3, cuyas cadenas de procesado se están preparando en el contexto
del proyecto FP7 ImagineS.
Palabras clave: Copernicus Global Land Service, ECVs, productos biofísicos.
ABSTRACT
From 1st January 2013, the Copernicus Global Land Service is operational, providing continuously a set of biophysical
variables describing the vegetation conditions, the energy budget at the continental surface and the water cycle over the
whole globe at 1 km resolution. Essential Climate Variables like the Leaf Area Index (LAI), the Fraction of PAR
absorbed by the vegetation (FAPAR), the surface albedo, the Land Surface Temperature, the soil moisture, the burnt
areas, the areas of water bodies, and additional vegetation indices, dry matter productivity and TOC reflectance, are
generated every hour, every day or every 10 days on a reliable and automatic basis from Earth Observation satellite
data. In view of service continuity, the existing retrieval methodologies will be adapted to Sentinel-3 and Proba-V, for a
finer resolution (300 m) in the FP7/ImagineS project.
Keywords: Copernicus Global Land Service, ECVs, biophysical parameters.
1. INTRODUCCIÓN
Copernicus (anteriormente GMES) es el programa
europeo de Observación de la Tierra para el Medio
Ambiente, que persigue facilitar la gestión
medioambiental, mitigar efectos del cambio climático y
mejorar la seguridad civil. Copernicus se basa en tres
componentes principales:
 La Componente Espacial, a cargo de la Agencia
Espacial Europea, contribuye a la infraestructura
espacial con el desarrollo de los satélites Sentinel y
los segmentos de tierra.
 La Componente In-Situ, a cargo de la Agencia
Europea del Medio Ambiente (EEA), que coordina
las redes de información proporcionada por sensores
in-situ.
 La Componente Servicios, a cargo de la Comisión
Europea (EC), que coordina la puesta en marcha de
los Servicios de Vigilancia: (i) Superficie Terrestre,
(ii) Atmósfera, (iii) Emergencia, (iv) Seguridad, (v)
Cambio Climático
En relación con el Servicio de vigilancia de la
Superficie Terrestre, existen tres componentes en
función de la resolución espacial: la componente local
(e.g, áreas protegidas, costas, atlas urbanos), la
componente continental (clasificaciones a escala
europea) y la componente global responsable de la
generación de variables biofísicas (ECVs) a escala
global.
Copernicus Global Land Service (Copernicus, 2013) se
ha desarrollado a partir de las actividades de I+D
realizadas durante más de 10 años, principalmente en
los proyectos FP7 Geoland-2/BioPar, FP7 DevCoCast y
en el programa LSA SAF de EUMETSAT.
Actualmente, el Global Land Service está siendo
operado por un consorcio liderado por VITO, a través
del proyecto GMES Initial Operation – Global Land
(GIO-GL), mediante convenio marco con el Joint
Research Center.
Las principales componentes del servicio Global Land
son:
 Producción de variables biofísicas a escala global,
en tiempo real (NRT), y procesado del archivo
(hasta 15 años de SPOT/VEGETATION)
 Control de calidad, todos los productos se evalúan
científica de acuerdo a los protocolos establecidos en
el grupo validación de productos terrestres (LPV)
de CEOS/WGCV
 Archivo y reprocesado de series históricas
 Diseminación y soporte al usuario
Los principales usuarios de los servicios de Copernicus
son los responsables políticos y las autoridades públicas
que necesitan la información para desarrollar la
legislación y las políticas del medio ambiente. En
concreto, el Global Land Service de Copernicus
persigue favorecer la contribución europea a
GEO/GEOSS, a políticas de ámbito internacional (ej.
Cambio Climático) y/o tratados internacionales (ej. UN
“Rio” y convenciones de clima). Las principales
temáticas son:
 Agricultura, monitorización de cultivos y seguridad
alimentaria,
 Biodiversidad, áreas protegidas, y monitorización de
la cobertura forestal,
 Sequía y desertificación,
 Flujos de Carbón, usos de suelo y cambios de usos,
 Apoyo a los programas en África (e.g., AMESD,
MESA).
El segundo apartado presenta los productos biofísicos
del Global Land Service de Copernicus (proyecto GIOGL). El tercer apartado hace referencia a las actividades
que se están realizando para distribuir dichos productos
a través del Plan Nacional de Teledetección (PNT). El
cuarto apartado describe la evolución prevista del
servicio durante el proyecto Imagines.
2. PRODUCTOS COPERNICUS GLOBAL LAND
La Tabla 1 resume los productos disponibles en el
Global Land Service. Todos ellos vienen acompañados
con un Manual del Producto para el Usuario (PUM), las
Bases Teóricas del Algoritmo (ATBD) y el Informe de
Validación (VR) que se pueden encontrar en el portal
web (Copernicus, 2013). Todos ellos se procesan,
archivan y distribuyen en VITO (Bélgica), excepto el
SWI y el LST que se procesan, archivan y distribuyen
en IPMA (Portugal).
Producto
Sensor
Resolución
Frecuencia
Periodo
Albedo
VGT
1 km
10 días
1999-hoy
TOC_R
VGT
1 km
10 días
2013-hoy
LAI
VGT
1 km
10 días
1999-hoy
FAPAR
VGT
1 km
10 días
1999-hoy
FCover
VGT
1 km
10 días
1999-hoy
NDVI
VCI
VPI
VGT
1 km
10 días
1999-hoy
DMP
VGT
1 km
10 días
2009-hoy
LST
∑ Geos
5 km
1 hora
2009-hoy
BA
VGT
1 km
10 días
1999-hoy
SWI
ASCAT
10 km
1 día
2007-hoy
Water
Bodies
VGT
1 km
10 días
1999-hoy
Tabla 1. Catálogo de productos Copernicus Global
Land Service. VGT acrónimo de SPOT/VEGETATION.
∑ Geos acrónimo sensores geostacionarios.
2.1. Productos de radiación en superficie
En esta categoría incluimos el Albedo, la reflectividad
direccional (R_TOC) y la Temperatura (LST) todos
ellos estimados a nivel de superficie.
El Albedo es la fracción de radiación solar incidente
reflejada por la superficie (R_TOC), integrada para
todas las direcciones de observación. El producto
Albedo (Figura 1) proporciona el albedo direccional al
mediodía, y el albedo bi-hemisférico, en tres rangos
espectrales: visible [0.4, 0.7µm], infrarrojo próximo
[0.7, 4µm], y el espectro solar [0.3, 4µm]. Los
coeficientes del modelo paramétrico de BRDF se
calculan acumulando durante 30 días las observaciones
de reflectividad obtenidas con SPOT/VEGETATION.
Posteriormente, la BRDF se integra angularmente para
estimar el albedo espectral. El último paso es la
conversión del albedo espectral a los tres rangos
espectrales descritos anteriormente. El algoritmo fue
definido por CNRM / Météo-France durante el proyecto
FP5 CYCLOPES.
La validación científica del producto ha demostrado que
el producto de SPOT/VGT de Albedo presenta un
rendimiento muy similar al de MODIS C5 con un
RMSE para los sitios BELMANIP-2 de solo 0.03. La
comparación con datos in-situ muestra un RMSE entre
0.04 y 0.03 si filtramos píxeles con nieve.
Figura 1. Albedo direccional estimado con datos
SPOT/VGT, 2 de octubre de 2007.
La Temperatura de superficie (LST) (Figura 2),
desarrollada por IPMA, se obtiene combinando los
productos de LST obtenidos a partir de observaciones
con los satélites geoestacionarios MSG (LSA SAF),
GOES y MTSAT, con una frecuencia horaria. El cálculo
se basa en el uso de algoritmos split-windows donde el
LST se obtiene de regresiones semi-empíricas de la
temperatura de brillo TOA de 2 canales contiguos del
infrarrojo térmico (Freitas et al., 2013). La validación
del producto con datos in-situ de las redes BSRN y
SURFRAD se puede encontrar en el correspondiente
informe de validación (Copernicus, 2013). El principal
valor añadido del producto LST basado en sensores
geoestacionarios es su frecuencia horaria que permite
describir el ciclo diurno de la LST, así como mejorar la
frecuencia de observación en zonas frecuentemente
cubiertas por nubes.
Figura 2. LST del 28 de noviembre de 2010 a las
12:00h obtenida a partir de satélites geoestacionarios.
2.2 Variables que describen el estado de la vegetación
Los productos que describen el estado de la vegetación,
desarrollados por INRA, incluyen: el índice foliar (LAI)
(Figura 3), la fracción diaria de radiación PAR
absorbida por la vegetación (FAPAR), la fracción de
cobertura vegetal (FCover), y el índice de vegetación
diferencia normalizada (NDVI). Además, a partir de la
serie histórica de NDVI se proporcionan otros dos
índices de vegetación adicionales, el VCI (Vegetation
Condition Index), expresado en % y que informa del
estado de la vegetación comparado con el mismo
periodo de años anteriores, y el VPI (Vegetation
Productivity Index) que refleja la probabilidad de
observar un valor similar de NDVI en la serie temporal.
Figura 3. LAI estimado con SPOT/VGT, Julio 2004
El algoritmo para estimar la versión GEOV1 de los
productos LAI, FAPAR y FCover se basa en fusionar
productos CYCLOPES y MODIS para aprovechar sus
ventajas y reducir sus limitaciones. La fusión de los
productos se realiza dando pesos de acuerdo a los
resultados de validación, para posteriormente entrenar
una red neuronal que relacionará los valores fusionados
con la reflectividad TOC de SPOT/VEGETATION
(Baret et al., 2013). Los resultados de validación
muestran que los productos GEOV1 mejoran la mayoría
de los criterios de validación evaluados, incluidos los de
exactitud con datos de validación directa (Camacho et
al., 2013).
La Productividad de Materia Seca (DMP) representa el
crecimiento diario de la biomasa. Es equivalente a la
productividad primaria neta, muy conocido en los
estudios climatológicos, pero DMP es la medida para
aplicaciones agronómicas y se expresa en kilogramos de
materia seca por hectárea y por día. El algoritmo para
estimar la DMP se basa en la aproximación clásica de
Monteith, que relaciona la productividad de la
vegetación combinando la radiación solar incidente
(~PAR), la FAPAR y la eficiencia para la conversión de
radiación en biomasa que depende de la temperatura
(Copernicus, 2013).
El producto Áreas Quemadas (BA), desarrollado por la
Universidad de Leicester, está basado en el algoritmo de
Tansey et al., (2008) modificado para ajustarse a una
producción en tiempo real. Además se introduce una
métrica que permite estimar, el comienzo, el máximo y
el final de una estación de fuegos. La validación se ha
realizado comparando con datos de alta resolución
Landsat TM, de acuerdo con las recomendaciones del
CEOS LPV. Los resultado se pueden consular en el
informe de validación (Copernicus, 2013).
2.3 Productos relativos al Agua en superficie
En esta categoría incluimos el Índice de Humedad de
Suelo (Soil Water Index, SWI) definido con el
contenido de humedad del suelo (%), y las superficies
de agua continental (Water Bodies), de momento solo
disponible para África.
La Humedad de Suelo (SWI), desarrollado por Vienna
University of Technology, se estima utilizando un
modelo de infiltración que describe la relación entre la
Humedad de Suelo en Superficie (Surface Soil
Moisture, SSM) y el perfil de humedad de suelo en
función del tiempo (T). El algoritmo está basado en un
modelo de balance hídrico de dos capas (Wagner et al.,
1999) para estimar el perfil de humedad de suelo a partir
de la humedad de suelo en superficie (SSM) obtenido a
partir de datos ASCAT que sirven para obtener los
mapas globales diarios de SWI para diferentes valores
T. La cadena de procesado fue desarrollada por CNES,
y se produce en tiempo casi real en IPMA. La
validación ha sido realizada por Météo-France y
ECMWF con datos in-situ y dos modelos SVAT
diferentes el ISBA-A-gs (Météo-France), y CTESSEL a
escala global (ECMWF) (Copernicus, 2013).
Figure 4. SWI (%) a partir de datos ASCAT/Metop
para T=10, 15 de Julio de 2007.
Finalmente, las superficies de agua continental son el
resultado de la fusión de dos algoritmos: (i) el
desarrollado en el contexto de VGT4AFRICA para el
JRC adecuado para zonas áridas; y (ii) el desarrollado
para el proyecto GlobalWatch y utilizado para la
prevención de plagas de langosta por la FAO. El
producto incluye información sobre estacionalidad, es
decir fecha de llenado y fecha de secado. La Université
Catholique de Louvain ha definido la metodología y
VITO lo implementa y produce en tiempo cuasi real
(Copernicus, 2013).
3. PLAN NACIONAL DE TELEDETECCIÓN
El PNT, dentro de su estrategia para la diseminación de
variables biofísicas, ha comenzado a distribuir los
productos Global Land de mayor resolución e interés
para los usuarios de la comunidad española (Peces et al.,
2013). Los productos se distribuyen solamente sobre la
ventana del territorio nacional, y en formato GeoTiff.
En este contexto, usuarios como la Junta de Andalucía,
a través de REDIAM e IFAPA han comenzado a
evaluar dichos productos para sus aplicaciones
ambientales, en concreto relacionadas con la
monitorización del riesgo de erosión (REDIAM), y la
productividad de pastos (IFAPA), cuyos resultados se
presentarán a la Comisión Europea, dado que esta es
una experiencia piloto en Europa para estos productos
globales.
4. PERSPECTIVAS FUTURAS
La continuidad y evolución inmediata de los productos
dentro del proyecto GIO-GL pasa por la adaptación de
los algoritmos a los datos de PROBA-V (1 km).
Paralelamente, en el marco del proyecto FP7 Imagines
(2012-2016), un consorcio similar de instituciones
estamos desarrollando las cadenas de procesado para
pasar a 300m de resolución, mediante PROBA-V, y la
fusión de datos PROBA-V y SENTINEL.
Los
productos que se beneficiaran de esta mejora de
resolución serán el Albedo y los parámetros de
vegetación.
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scatterometer and soil Data. Rem. Sens. Env., 70: 191207, 1999.
6. AGRADECIMIENTOS
La investigación que ha llevado a estos resultados ha
sido financiado por los Programa Marco (FP) de la
Comunidad Europea, y está operado a través del
programa Europeo de Monitorización de la Tierra,
Copernicus, a través de la componente global de la
superficie terrestre del GIO “Global Land Component of
the GMES Initial operations”.