Monitoreo de áreas quemadas en la Región de La Araucanía

MONITOREO DE AREAS QUEMADAS EN LA REGION DE LA
ARAUCANIA, DESDE IMAGENES SATELITALES.
1
Acevedo, P.; 2Reyes, M.; 2Bassaber, C.
1
Depto. de Ciencias Físicas, Facultad de Ingeniería, Ciencias y Administración
2
Depto. de Ciencias Forestales, Facultad de Ciencias Agropecuarias y Forestales.
Universidad de La Frontera
Francisco Salazar 01145, Casilla 54-D, Temuco, Chile.
[email protected]
Resumen
La habilitación de terrenos agrícolas, el uso del fuego no controlado y la generación de
incendios forestales de origen antrópico, ocasionan cuantiosas pérdidas económicas y
ambientales, pasando a ser de importancia la cartografía sistemática de áreas quemadas, a fin
de evaluar los impactos ambientales.
Se propone detectar, localizar y delimitar áreas quemadas por incendios forestales y quemas
controladas, en la Comuna de Curacautín, Región de La Araucanía, Chile.
Utilizando una imagen ASTER, se delimitaron escoriales/lavas volcánicas, cultivos y quemas
agrícolas como áreas de entrenamiento para una clasificación supervisada para la temporada
de quemas 2005. Las áreas quemadas detectadas fueron separadas mediante análisis de
conglomerado jerárquico de variables, considerando el subsistema VNIR-SWIR y los índices
espectrales BAI y NBR para definir dos clases: quemas recientes y quemas no recientes.
En general estas dos clases seleccionadas corresponden a quemas agrícolas. Las superficies
obtenidas se compararon con los registros de quemas autorizadas de CONAF para verificar
consistencias con las superficies solicitadas en los Planes de Quemas. En la imagen ASTER, el
total de áreas quemadas detectadas es de 1203 ha.
Como parte de las quemas no recientes se obtuvieron dos polígonos con superficie total
aproximada de diez hectáreas. La vegetación previa en estos sectores, se validó en escenas
anteriores como vegetación nativa y de plantaciones de Pinus radiata. El caso de la vegetación
nativa probablemente estaría vinculado a habilitaciones agrícolas ilegales, ya que no se
identificaron registros de incendios ni de planes de quemas autorizadas. En el caso de la
plantación correspondería a quema de restos de cosecha forestal.
Introducción
La teledetección satelital proporciona información de gran importancia para el estudio de la
superficie terrestre, con una visión sinóptica de decenas a cientos de kilómetros, y al mismo tiempo
una resolución espacial que permite el estudio de áreas del orden de los kilómetros (sensores
AVHRR, SeaWifs) hasta algunos metros (sensores ASTER, QuickBird, ALI), permitiendo generar
mapas a nivel regional y local de la superficie terrestre. Un ejemplo de esto es la cartografía de
áreas quemadas generadas ya sea por incendios forestales o la eliminación de rastrojos agrícolas. En
este contexto, la teledetección satelital es una herramienta eficaz en la cartografía de áreas
quemadas, permitiendo realizar monitoreos espacio-temporales de ellas a escala global (Martín y
Chuvieco, 1998; Stroppiana et al., 2002; Silva et al., 2005) y local-regional (Chuvieco, 1999;
Aguado et al., 2003), a fin de evaluar los impactos ambientales generados.
Una metodología utilizada en teledetección para la cartografía de áreas quemadas se basa en el
desarrollo y aplicación de índices espectrales. Uno de los primeros índices espectrales utilizados en
el reconocimiento de áreas quemadas ha sido el Normalized Difference Vegetation Index (NDVI),
que ha mostrado ser útil especialmente en casos de áreas quemadas de superficies que anteriormente
presentaban un alto rango de verdor, como es el caso de incendios forestales (Kasischke and
French, 1995; Pereira et al., 1999). Lo anterior no siempre se cumple, ya que en el caso de la quema
controlada de los desechos de cultivos agrícolas, dichos cultivos tienen antes de la cosecha una
firma espectral tal que los valores de NDVI son bajos.
También se han propuesto otros índices para el monitoreo de áreas quemadas, entre ellos el
Normalized Burn Ratio (NBR), utilizado inicialmente para la detección del contenido de agua en
los vegetales, pero posteriormente aplicado en la detección de áreas quemadas (López and Caselles,
1991; Key and Benson, 2002). Otro índice espectral es el Burned Area Index (BAI), propuesto
específicamente para la cartografía de áreas quemadas utilizando datos del sensor AVHRR
(Advanced Very High Resolution Radiometer), de acuerdo a las firmas espectrales de las cenizas
producidas después de un incendio (Martín, 1998; Gómez y Martín, 2008).
A continuación se presenta una aplicación relacionada con el monitoreo de áreas quemadas por
incendios forestales y quemas controladas, en la Comuna de Curacautín, Región de La Araucanía,
para el período enero a marzo del 2005.
Metodología
Se propone la detección, localización, delimitación y cuantificación de áreas quemadas por
incendios forestales y quemas controladas, en el período de enero a marzo de 2005, en la comuna de
Curacautín, Provincia de Malleco, Región de La Araucanía (38.25° Sur – 71.46° Oeste), Chile,
usando dos imágenes ASTER y aplicando un análisis basado en los índices espectrales NBR y BAI.
La comuna de Curacautín tiene un área aproximada de 135699.5 ha, de las cuales 31724.5 ha
(23.4%) corresponden a terrenos agrícolas.
Fig.1. Mapa de ubicación de la Comuna de Curacautín.
Se utilizan dos imágenes ASTER del 24 de enero y 13 de marzo de 2005, nivel 1B, facilitadas por
el Land Processes Distributed Active Archive Center (LP DAAC), Earth Resources Observation
and Science Center (EROS), del U.S. Geological Survey (http://LPDAAC.usgs.gov).
Estas imágenes fueron corregida radiométricamente a radiancia espectral y posteriormente a
reflectancia, considerando la corrección atmosférica, previo “layer stacking” de las tres bandas del
VNIR y seis bandas del SWIR, a 15 m de resolución espacial. La imagen de marzo presenta una
cobertura de nubes del 0% (Fig.2).
Fig.2. Imagen ASTER (RGB-432) del 13 de marzo de 2005. En línea blanca
el límite de la comuna de Curacautín.
Utilizando la imagen ASTER de marzo, se delimitaron quemas agrícolas, escoriales/lavas
volcánicas, ríos, cultivos y bosques como áreas de entrenamiento para una clasificación
supervisada. Estas áreas fueron separadas mediante análisis de conglomerado jerárquico de
variables, considerando las firmas espectrales del subsistema VNIR-SWIR e índices espectrales
BAI y NBR.
El índice BAI se definió de acuerdo a lo propuesto por Martín et al. (2002) utilizando imágenes
MODIS.
BAI = (0.2− 𝜌
1
2
2
𝑆𝑊𝐼𝑅 ) +(0.08− 𝜌𝑁𝐼𝑅 )
donde, ρNIR y ρSWIR corresponden a los valores de la reflectancia en las banda del infrarrojo
cercano (700 a 900 nm) y del infrarrojo de onda corta (2100 a 2300 nm), respectivamente. En
nuestro caso utilizando imágenes ASTER, se escogió la banda 3 (807 nm) del NIR y las bandas 5
(2167 nm), 6 (2209 nm) y 7 (2262 nm) correspondientes al SWIR.
Las constantes 0.2 y 0.08 corresponden a las propuestas por Martín et al. (2002) en el monitoreo de
áreas quemadas utilizando imágenes MODIS.
Posterior a la aplicación del índice BAI, se utilizó el índice NBR, considerando las mismas bandas
antes definidas para el índice BAI.
NBR =
𝜌𝑁𝐼𝑅 − 𝜌𝑆𝑊𝐼𝑅
𝜌𝑁𝐼𝑅 + 𝜌𝑆𝑊𝐼𝑅
Inicialmente se establecieron cuatro clases para las áreas quemadas, las que posteriormente se
redujeron a dos clases (quemas recientes y quemas no recientes), utilizando exclusivamente los
índices BAI y NBR (Fig.3). En el caso del índice BAI el mejor resultado de separación entre las dos
clases se logró utilizando la banda 7 para la reflectancia del SWIR y la banda 3 para el NIR. En el
caso del índice NBR se estableció la banda 5 para el SWIR y la banda 3 para el NIR.
Fig.3. Valores promedios y sus desviaciones estándar para los índices BAI y NBR
correspondientes a diferentes coberturas de suelo: 1 quemas recientes, 2 quemas no
recientes, 3 ríos, 4 escoriales/lavas, 5 cultivos verdes y 6 bosques.
Las dos clases definidas como áreas quemadas permiten separar los sectores con quemas recientes
desarrolladas entre el 01 y 15 de marzo, de aquellas quemas de fechas anteriores (Fig.3). Conforme
a lo anterior se propuso un “árbol de decisión” (Fig.4) para el reconocimiento de las áreas
quemadas.
La superposición de los valores de los índices BAI y NBR para ríos, escoriales/lavas volcánicas y
áreas quemadas, generan detecciones erradas, por lo que se utiliza la imagen clasificada de enero
como base para eliminar los pixeles correspondientes a ríos y escoriales volcánicos en la imagen de
marzo. Esto es posible ya que la imagen del 24 de enero es previa a la fecha de inicio de la
autorización de quemas agrícolas en la comuna (01 de marzo).
En la Fig.5 se presenta la detección de ríos y escoriales/lavas volcánicas en la imagen del 24 de
enero, que se utiliza como base para eliminar dichas cubiertas en la imagen del 13 de marzo.
Además de las superficies antes mencionadas, el algoritmo de detección reconoce áreas de sombras.
Fig.4. Arbol de decisión utilizando los índices espectrales BAI y NBR, para el
reconocimiento de áreas quemadas
Fig.5. A la izquierda imagen en la banda 3 de ASTER del 24 de enero, para un área con
escoriales/lavas volcánicas (arriba) y el curso de un río (abajo). A la derecha la detección de
escoriales/lavas y ríos, además de zonas de sombra, que se utilizan como base para ser
eliminadas en la imagen final de detección del 13 de marzo.
Resultados
El resultado final de detección de áreas quemadas en la comuna de Curacautín, entregó un total de
1203 ha quemadas desde el 24 de enero al 13 de marzo de 2005. Esto se presenta en la Fig.6, donde
las quemas recientes (en el mes de marzo) están en color rojo, las quemas no recientes (antes de
marzo) en color amarillo y el área de la comuna de Curacautín en gris.
En el recuadro superior izquierdo de la Fig.6, se observan áreas clasificadas como quemas recientes,
pero que presentan en sus bordes sectores clasificados como quemas no recientes. Es muy probable
que estas últimas correspondan realmente a un efecto de borde entre un área recientemente quemada
y otra sin quema, debido a la resolución espacial de 15 metros de las imágenes utilizadas en el
presente estudio.
Fig.6. Resultado de la detección de áreas quemadas en la comuna de Curacautín (en gris),
entre el 24 de enero y 13 de marzo de 2005. En rojo las áreas reconocidas como quemas
recientes (marzo) y en amarillo las quemas no recientes (enero-febrero o antes).
A
B
Fig.7. A la izquierda en amarillo las áreas quemadas clasificadas como no recientes en la
imagen del 24 de enero, a la derecha similar clasificación correspondiente a la imagen del 13 de
marzo. En esta última se han identificado quemas de restos forestales correspondientes a
plantaciones de Pinus radiata (A) y vegetación nativa (B).
Dentro de la clase clasificada como quemas no recientes (en color amarillo en la Fig.6), se
reconocieron dos polígonos (A y B) con superficie total aproximada de 10 hectáreas,
correspondientes principalmente a quemas de restos forestales (Fig.7). La vegetación previa en
estos sectores, se validó en escenas anteriores (ETM+ del 01 de enero de 2005) como vegetación
nativa y de plantaciones de Pinus radiata. El caso de la vegetación nativa probablemente estaría
vinculado a habilitaciones agrícolas/forestales ilegales, ya que no se identificaron registros de
incendios ni de planes de quemas autorizadas. En el caso de la plantación correspondería
probablemente a quema de restos de cosecha forestal.
Fig.8. Imagen DigitalGlobe del 21 de noviembre de 2007. El área que se
observa con ordenamiento de desechos de explotación forestal, corresponde a la
misma área reconocida como quema no reciente de la Fig.7.
En general las áreas clasificadas como quemas no recientes, corresponden a manejos realizados con
anterioridad al 24 de enero de 2005 y que principalmente correspondían a la preparación del terreno
para un renuevo de plantación forestal. Lo anterior se corrobora observando una imagen
DigitalGlobe del 21 de noviembre de 2007 (Fig.8), en donde se observa con claridad el
ordenamiento de desechos de la explotación forestal.
Las superficies clasificadas como quemas agrícolas se compararon con los registros de quemas
autorizadas de CONAF, para verificar consistencias entre las superficies solicitadas en los Planes de
Quemas y las realmente quemadas. Como ejemplo se consideraron cinco predios (Fig.9), en los que
coincide el rol de la propiedad informado en CONAF, con la cartografía digital elaborada desde
ortofotos escala 1:20000.
A la fecha del 13 de marzo de 2005, solo los predios individualizados con los números 1, 2 y 3
presentan quemas. La fecha de autorización de quemas para la comuna de Curacautín fue fijada por
CONAF entre el 01 y 29 de marzo.
El detalle de las áreas solicitadas y realmente quemadas para los predios 1, 2 y 3, se presenta en la
Tabla 1. En el caso del predio 1, el área quemada excede en 28.5 ha a la solicitud presentada. En el
predio 2 se tienen 63.4 ha por quemar, pero en la imagen ASTER (Fig.9) se observa que no hay
disponibilidad de cubierta agrícola por quemar. En dicha imagen en color negro se presentan las
áreas quemadas, en rojo los bosques, en rosado las áreas agrícolas con cultivos verdes y en celeste
los cultivos agrícolas para cosecha o recién cosechados.
Fig.9. Polígonos de límites prediales, sobre la imagen ASTER (RGB-321) del 15 de
marzo de 2005. El número en negro con cajón blanco indica la superficie (en hectáreas)
solicitada a CONAF en el plan de manejo de fuego. En números blancos la
individualización de cinco predios.
Predio
1
2
3
Area total
(ha)
448.7
315.7
350.0
Area solicitada para quema
(ha)
190.0
230.0
230.0
Area quemada al 15 de marzo
(ha)
218.5
166.6
209.4
Tabla 1. Areas totales, solicitadas para quema y quemadas correspondientes a los
predios 1, 2 y 3 en la Fig.9.
Fig.10. Enmarcados con línea blanca los sectores con cultivos agrícolas, al interior del
predio 3 de la Fig.9, con un área total de 24.9 ha.
En el predio individualizado con el número 3, restan según la imagen ASTER 20.6 ha por quemar,
correspondientes al sector sur del predio cubierto con cultivos a ser cosechados (enmarcados con
una línea blanca en la Fig.10). El área total de estos cultivos es de 24.9 ha.
Conclusiones
Se ha descrito una metodología de fácil aplicación para la detección, localización, delimitación y
cuantificación de áreas quemadas por incendios forestales y quemas controladas, a partir de
imágenes de alta resolución ASTER (15 metros).
Los criterios de corte de los índices espectrales BAI y NBR, para el árbol de decisión aplicado, son
diferentes a los obtenidos en otras áreas geográficas. Por ejemplo, Gómez y Martín (2008) informan
para áreas quemadas intervalos entre 92.2 y 562.9 para el índice BAI, y de -0.4 a 0.1 para el índice
NBR. Queda claro, que es necesario obtener dichos valores para cada zona en que se pretenda
aplicar algún algoritmo de clasificación supervisada, basado en los índices BAI y NBR.
Agradecimientos
Esta investigación es parte de los proyectos “Center for Optics and Photonics”, Basal Financing
Program for Scientific and Technological Centers of Excellence, Conicyt y “Monitoreo de áreas
quemadas en la región de La Araucanía” (DI08-0040), de la Dirección de Investigación de la
Universidad de La Frontera.
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