1 identificación de húmedad en el suelo a traves de la

IDENTIFICACIÓN DE HÚMEDAD EN EL SUELO A TRAVES DE LA TELEDETECCIÓN
PARA EL MEJOR MANEJO DE LA TIERRA: CASO ZONA FLORICOLA, ESTADO DE
MÉXICO
CASTRO VILLEGAS JUAN CARLOS1
BALDERAS PLATA MIGUEL ANGEL1
HERNANDEZ TELLEZ MARIVEL2
1
Facultad de Geografía, Ciudad Universitaria
Ciudad Universitaria, S/N, Toluca, México
1
[email protected]
RESUMEN
En las últimas décadas, la percepción remota ha sido una herramienta que permite el análisis de
procesos ambientales, físicos de la tierra y socioeconómicos de la población, capaz de cubrir
grandes extensiones del territorio. Muchas han sido las ciencias que utilizan esta herramienta en pro
de resolver diversas problemáticas específicas de cada una de sus áreas. La ciencia del suelo no ha
sido la excepción, ha hecho uso de esta herramienta para abordar diversos procesos y problemáticas
como lo es la erosión, la contaminación, la fertilidad, cambios de uso de suelo, entre otros. Esto ha
sido posible gracias a que los sensores cuentan con diferente sensibilidad a las diversas bandas del
espectro que pueden detectar diferentes componentes del ambiente. La humedad del suelo es una
variable que puede ser analizada a través de este tipo de herramientas. Este parámetro del suelo
resulta de gran importancia sobre todo para aquellas zonas donde el conocimiento de la humedad
resulta fundamental para las actividades agrícola y florícola. La zona florística del Estado de
México en las décadas recientes ha tomado gran relevancia, debido al aporte económico que
representa para la población a nivel local, nacional e internacional, esto ha su vez a originado la
demanda de mayor superficie para el desarrollo de la actividad, por lo que resulta fundamental
detectar los sitios que presentan las condiciones más favorables para su desarrollo y se optímese las
zonas actuales con este uso y por otro lado se evite la apertura de nuevos zonas con baja aptitud y
de esta manera reducir la degradación del suelo.
Palabras clave: Clasificación no supervisada, NDVI, Textura.
IDENTIFICATION OF SOIL MOISTURE THROUGH REMOTE SENSING THROUGH FOR
THE BEST LAND MANAGAMENT CASE: FLOWER AREA, STATE OF MEXICO
Abstract
Remote sensing has been a tool for the analysis of physical and socioeconomic processes, with the
advantage of covering large areas of territory. Many sciences have used this tool towards solving
1
some problems of each of their areas. Soil science has not been an exception and it has applied it in
various processes such as erosion, pollution, fertility, among others. This is because the sensors
have different bands that can detect different components of the environment, and everyone has
different sensitivities to different spectral bands. Floristic area has recently been downgraded by
the inexperience of the flower, and the new opening of new land, so this research tried to identify
moisture in the soil to improve the management of land, avoiding opening new areas and thereby,
reducing soil degradation.
Key words: Unsupervised classification, NDVI, Texture.
1. Introducción
La zona florística es una de las más importantes en el Estado de México, ya que el 75% de la flor
cultivada en la región es exportada a nivel internacional, mientras que el otro 25% es llevado a otros
estados de la República o municipios de la entidad. Esta responsabilidad recae solo en 3 municipios
(Tenancingo, Villa Guerrero, Coatepec Harinas), aunque últimamente se ha visto el incremento de
estas zonas en las partes sur del municipio de Tenango del Valle, en los límites de los municipios
antes mencionados. La saturación de la zona de invernaderos ha traído como consecuencia la tala
inmoderada de zonas boscosas por lo que pone en riesgo la rápida degradación y continúa de los
suelos. Por otro lado la falta de conocimientos por parte de los floricultores pone en mayor riesgo
esto, ya que la mayoría opta por lugares cercanos a humedales esto por la facilidad y la accesible del
riego para los cultivos, así mismo la falta de orientación por parte deespecialistas para evitar este
abandono de tierras, la deforestación y por lo tanto la degradación del suelo. La humedad ha sido
una de tantas propiedades del suelo que se relaciona con la productividad de los cultivos, así mismo
esta propiedad depende de otras para que sea retenida o sea infiltrada para la recarga de los mantos
acuíferos, por lo que es importante ubicar aquellas zonas con características adecuadas para el buen
rendimiento de los cultivos y aprovechar las capacidades del suelo, sin provocar su degradación lo
menor posible.
La percepción remota se ha convertido en una gran herramienta para la solución de problemáticas
dentro del territorio, esto por cubrir grandes extensiones de la superficie terrestre, por lo que se han
convertido en algo muy útil en la apreciación de las características de cualquier zona. Existen
diversos procesamientos de las imágenes de satélite los cuales nos dan resultados que van desde la
obtención de los cambios de uso de suelo, las densidades vegetativas, hasta concepciones de
mineralogía y contaminación en el suelo; en este contexto algunas de las propiedades físicoquímicas de este han podido ser observadas e identificadas a través de los sensores remotos esto
dependerá en muchas ocasiones del tipo de imagen y la resolución obtenida, así mismo ayuda a la
toma de decisiones y a la posible conservación de los recursos naturales. Por lo que la teledetección
es una herramienta accesible para detectar humedad en el suelo y así de esta manera evitar todas
estas consecuencias posibles hacia el suelo y evitar la deforestación de la zona, ayudando a mejorar
el aprovechamiento de los cultivos de una manera adecuadas así como ayudar a la conservación de
los recursos naturales y ayudar al bienestar de la población.
2. La Teledetección y la Ciencia del Suelo
La teledetección es la recopilación de información relativa a un objeto de interés, llevado a cabo
desde cierta distancia, sin tener ningún contacto real con él, lo que generalmente se detecta y se
mide en diversas partes (bandas) del espectro electromagnético. La teledetección es una técnica
prometedora para la ciencia del suelo ya que ayuda a detectar componentes físicos e hidrológicos,
2
permitiendo medir y obtener estos datos del terreno en donde los obstáculos físicos son difíciles
para su obtención de manera directa (Engman, 1995).
La información sobre el contenido de humedad en el suelo varía desde la superficie hasta altas
profundidades, pero la mayor parte de esta se encuentra en la primera capa del suelo, la cual
representa la interacción entre el suelo y la atmosfera y es la reguladora de los procesos de
intercambio de la energía y la asignación del agua precipitada, la infiltrada, de escorrentía, de
evaporación y de transpiración. Por otra parte la capa húmeda es la responsable de llevar a cabo el
proceso de germinación de las semillas y posteriormente al crecimientos de las plantas y en
definitiva el éxito o el fracaso de estas planta. Las características del suelo como lo son: la
rugosidad, encostramiento, la pedregosidad, una buena estructura, así como la textura del suelo son
factores que determinan el grado de humedad que se almacena en el suelo, permitiendo la fácil
circulación del agua a través de los diferentes horizontes del suelo y/ o la saturación de los mismos.
Otros factores secundarios que intervienen en este proceso son geográficos como: la pendiente, el
clima, la vegetación, entre otros.
Existen diferentes técnicas para medir la humedad en el suelo, tanto pruebas de laboratorio, campo
y por supuesto en gabinete, una de las herramientas en gabinete es a través de la percepción remota,
siendo una de estas la más prometedora para identificar ésta y otras características físico-químicas
del suelo y los procesos que se puedan realizar en él.
3. Materiales, datos y métodos
La metodología adoptada para esta investigación es a través del tratamiento de imágenes de satélite,
esto con base a tres módulos de modelación. El primero a través de la obtención de firmas
espectrales de cada una de las coberturas especialmente de la humedad contenida en el suelo, por
medio de las diferentes bandas contenidas en el sensor, realizando una clasificación para obtener
una imagen con la discriminación de las coberturas deseadas. El segundo modelo se realizó con
base a un índice de vegetación y el primero modelo obtenido, con el fin de discriminar la vegetación
que contenga humedad y sólo obtener aquellos suelos que tengan la capacidad de retener el agua en
su interior y por ultimo con un módulo especifico para discriminar la humedad. Esto se hizo a través
del software Idrisi Taiga el cual es un paquete gratuito y de versión libre.
3.1. Zona Florícola del Estado de México
La zona florícola comprende los territorios de los municipios de Villa Guerrero, Coatepec Harinas y
Tenancingo, aunque actualmente se está incorporando el municipio de Tenango del Valle, ya que
los invernaderos están apareciendo en la zona sur de este municipio en los límites con el municipio
de Tenancingo. Su extensión territorial es de 862,38 ha, entre las coordenadas extremas de 411098,
461486 de latitud Norte y 2074728, 2115740 de longitud Oeste.
El trabajo de campo estuvo compuesto por 40 puntos de muestreo con una profundidad de <10 cm,
la selección de los puntos de muestreo se realizó con base en la homogeneidad de las unidades de
suelo. El procesamiento de las muestras se realizó en el Laboratorio de Suelos de la Facultad de
Geografía de la Universidad Autónoma del Estado de México, con análisis como Densidad
Aparente, pH, Textura, granulometría, Contenido de Humedad, etc.
3
3.2. Obtención de los datos e imágenes
Las imágenes de satélite fueron obtenidas de la página oficial de la USGS Global Visualization
Viewer (GLOVIS) (http: //glcfapp.glcf.umd.edu, 2010). Son imágenes Landsat TM de noviembre de
2005, la cual fue elegida ya que es una época de secas, y solo los suelos aptos pueden retener la
humedad en esta época del año, después de la temporada de lluvias. Las imágenes tienen una
resolución de 30 metros. Con 3556 pixeles de ancho y 4116 líneas de longitud, con 6 bandas que
van del espectro visible, así como el infrarrojo cercano, medio y lejano
3.3. Técnicas de análisis
Se realizó un ajuste de georreferencia de las imágenes de satélite alsistema de coordenadas UTM en
zona 14, zona a la que pertenece el Estado de México, esto según el Instituto Nacional de
Estadística y Geográfica e Información (INEGI). Se realizó una combinación de bandas hasta
obtener la deseable que discriminara de una mejor manera la humedad en la superficie terrestre,
inmediatamente después se elaboraron los campos de entrenamiento en las zonas en las que se
distinguieron la humedad del suelo así como de otras diferentes coberturas que existen en la
superficie terrestre (vegetación, zonas urbanas, afloramientos rocosos, etc).
Después de obtener los campos de entrenamiento se procede a obtener los valores de reflectancia en
las diferentes bandas desde la 1 hasta la 7 incluyendo la banda 6 que es la especial que discrimina la
humedad en la superficie terrestre. Teniendo estos valores se obtiene la clasificación supervisada
con el modulo de Maxlike o Máxima verisimilitud del software Idrisi, para obtener el mapa
combinada con las diferentes coberturas así como de los suelos con humedad.
Para discriminar de una mejor manera estas coberturas de suelos con humedad se procede a realizar
una reclasificación para obtener una mejor discriminación de la cobertura deseada en este caso de
los suelos con humedad, y dejar descartadas aquellas coberturas que no serán útiles para los
objetivos de esta investigación (Engman, 1995).
Otro de los modelos que nos permitirán discriminar mejor la humedad en los suelos es a través de la
vegetación, la cual retiene humedad en las hojas y en otras partes de su estructura, por lo que es
necesario restar el resultado de nuestro RECLASS, con el de vegetación, el cual se obtendrá a través
del modulo de NDVI, el cual nos dará unos valores de reflectancia de positivos, los cuales nos
indicaran la presencia de vegetación en la superficie, y los valores negativos en donde no exista
vegetación, en otras palabras suelos desnudos. Después se procederá hacer un RECLASS para
obtener la vegetación de manera sola y a los suelos desnudos solos, por lo que los valores quedan de
la siguiente manera: valores de 1 = 0- 999999 y valores de 0= -999999 a 0, quedando la vegetación
sola, teniendo este mapa se procede hacer una resta a través de un OVERLAY, con el mapa
anterior de humedad en el suelo para descartar cualquier parte de la vegetación que el sensor
pudiera haber confundido al momento de hacer la discriminación en la clasificación. De esta manera
se obtiene un primer mapa de humedad en el suelo.
Otra manera de obtener la humedad en el suelo de una manera más directa es a través del modulo
TASSCAP, el cual hace una combinación de las diferentes bandas, obteniendo el mapa de humedad
presente en la superficie terrestre. Teniendo este mapa se procede a realizar el paso anterior una
resta a través de un OVERLAY con el mapa de vegetación para discriminar toda aquella vegetación
con humedad, quedando solo los suelos con presencia de humedad.Por último se compara ambos
4
mapas y se sacan las conclusiones de ambos métodos de modelación para la obtención de la
humedad del suelo.
4. Descripción y análisis de resultados
Para la obtención de la capa que permita identificar la humedad en el suelo se elaboró una imagen
combinada con las bandas 1, 2 y 5 (Figura 1), la cual nos permitió la discriminación de los suelos
que contenían humedad en su capa superficial, la forma de obtenerlos es mediante las tonalidades
que van desde los lilas a los rosados, permitiendo diferenciarlos de otras coberturas que se
encuentran en la superficie De esta combinación de bandas de las imágenes de satélite se obtuvo la
mejor discriminación que nos permitiera observar con más claridad la humedad del suelo a
diferencia de las otras coberturas, por lo cual se procedió a la elaboración de los campos de
entrenamiento, obteniendo las siguientes coberturas:
•
•
•
•
•
•
Suelos con humedad
Suelos sin humedad
Vegetación
Zonas urbanas
Cuerpos de agua
Rocas
Esto se realizó con la finalidad de poder discriminar la cobertura deseada; teniendo nuestros campos
de entrenamiento se procedió a obtener las diferentes firmas espectrales de cada una de las
coberturas obteniendo como resultado que la mayor reflectancia para la capa de los suelos húmedos
se encuentra ubicado en las bandas del infrarrojo medio y cercano así como en la banda del azul, y
tiene sus picos más bajos en la banda del verde (Figura 2), por lo tanto se tiende a demostrar que el
comportamiento de su firma espectral con respecto a las otras coberturas como cuerpos del agua,
agricultura, vegetación, etc. son totalmente diferentes por lo que se puede tener una buena
discriminación de esta capa a partir de esta combinación de bandas.
Después de la obtención de las firmas espectrales se procedió a obtener una imagen clasificatoria
con las diferentes coberturas esto a través de la utilización del método de clasificaciónllamado
Máxima Verisimilitud (Álvarez, 2007), siendo este uno de los más precisos con respecto a los
clasificadores existentes en el software Idrisi, además de ser el más utilizado para dicha técnica.
Teniendo como referencia las firmas resultantes se realizó la clasificación teniendo como resultado
que la mayor parte de suelos con humedad, se encuentra en la parte sur de la zona en los límites con
el municipio de Ixtapan de la Sal, y un poco en las partes centrales de la imagen, área en donde
actualmente se encuentra la zona de invernaderos (Figura 3), para tener una mejor observación de
esta hipótesis de los resultados obtenidos de la clasificación se optó por la realización de una
reclasificación de la misma imagen a través de un Reclass, esto con la finalidad de obtener
solamente aquellas áreas con alta cantidad de humedad en la capa superficial de los suelos.
Por otra parte sabemos que ciertas especies vegetativas, guardan humedad en su interior, por lo que
el sensor pudo tener errores al momento de la clasificación y confundir un suelo húmedo con
vegetación con cierto grado de humedad, por lo que fue necesario realizar un NDVI, el cual
permite discriminar la vegetación de los suelos (Figura 4), en donde los valores positivos nos
indican la presencia de vegetación abundante, y los valores negativos la presencia de suelos
desnudos o sin vegetación. Teniendo esto se procede hacer un Reclass para tener a la vegetación
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como una sola cobertura, para que de esta manera se realice una resta a través de un Overlay entre
los dos Reclass Vegetación- Suelos con humedad, teniendo nuestro primer modelo de suelos con
humedad (Figura 5).
Fórmula: Reclass Suelos húmedos- Reclass Vegetación densa = Suelos Con humedad
El otro método para obtener la discriminación de humedad en el suelo es a través del módulo
Tasscap, el cual realiza una combinación de las diferentes bandas del sensor con excepción de la
banda 6 multiplicando cada una de las bandas, obteniendo de esta manera una discriminación de la
humedad de manera directa, teniendo como resultados los mismos que en la clasificación (Figura
6), para quitar esas discrepancias se realizó el mismo Overlay de resta entre el Reclass de la
humedad de suelos del Tasscap y el Reclass del NDVI de la vegetación, dando como resultados los
mismos que con el modelo anterior. Para una mejor apreciación de ambos resultados se procedió a
una comparación entre imágenes, quedando que la mayor concentración de humedad en el suelo es
en la zona sur de la zona, y muy poco en la parte en donde actualmente se está concentrando los
invernaderos y toda la producción florícola.
Fórmula: Reclass del Tasscap- Vegetación densa (NDVI)= Suelos con Humedad
Para tener una mejor idea del proceso que está sucediendo en la zona, se procedió hacer una
correlación entre los dos modelos de humedad en el suelo y las diferentes unidades edáficas, para
tener una correlación entre estas unidades y la humedad, y si es que las características de los suelos
están permitiendo que la humedad se concentre en estas zonas. Teniendo como resultado que las
unidades de suelo con mayor correlación son los: Andosol, Feozem, Vertisol y Cambisol (Tabla 2),
esto por las características de cada uno, esto es por su alto contenido de arcillas, de Materia
Orgánica, en la textura y en el pH, esto como factores que son reguladores en la disponibilidad y
retención de las partículas del agua en el suelo y por lo tanto en el éxito o el fracaso de los cultivos.
5. Discusión y valoración de hallazgos
El único registro que se tiene para el análisis de humedad en el suelo por medio de las imágenes de
satélite es el realizado por Segura (2004), el cual tiene la finalidad de obtener esta propiedad pero en
suelos residuales, pero no se tiene ningún otro con fines de algún otro uso, así mismo la técnica
utilizada de los dos clasificadores de máxima verisimilitud y Tasscap restadas a través del NDVI en
esta investigación no ha sido usada en ninguna otra, por lo que la hace a ésta una aportación de
estetrabajo otra opción más para el manejo y control de tierras, y elegir mejores zonas de
producción, aunado a esto debemos tomar en cuenta que no sólo las características del suelo hacen
dependiente la producción de un cultivo, si no existen otros factores como lo son los físicogeográficos que intervienen para definir áreas precisas con humedad, dependiendo mucho de la
pendiente, de las geoforma y de la misma vegetación, los cuales juegan un papel importante para su
6
retención, filtración o escurrimiento y no tanto en la mayor parte de las ocasiones delas
características fisicoquímicas del suelo (Engman, 1995).
La humedad presente en el suelo puede determinar el éxito o el fracaso de un cultivo, en cualquier
región, esto dependerá en mayor parte de las condiciones físicas del suelo como lo son la textura, la
estructura, principalmente así como en menor proporción algunas condiciones químicas del mismo,
aunado a esto algunos factores fisco-geográficos que puedan ayudar o perjudicar esta condición.
Las mayores concentraciones de humedad en la zona florística, se encuentran establecidos en la
parte sur de la zona, ya que es en esta parte en donde las condiciones topográficas y climáticas
ayudan a su concentración, sin importar la época del año en la que se encuentren, por otro lado las
unidades edáficas concentradas como el Vertisol, Feozem, Cambisol, etc.; son suelos que
principalmente cuentan en su estructura, proporciones mayores de arcilla, así como una estructura
consolidada, por lo que no permite la filtración del agua a los mantos freáticos, así como el
escurrimiento superficial, por lo que el agua queda retenida en las arcillas, permitiendo una
humedad, lo cual puede ser utilizada por las raíces de las plantas, así como de los cultivos,
procurando evitar el abandono de tierras, la apertura de nuevas zonas y por lo tanto la deforestación
de la zona forestal, el cual cabe resaltar que pertenece a una área natural protegida, por lo que la
conservación de los recursos naturales debe ser la prioridad de la conservación de la zona
6. Conclusiones
La identificación de suelos húmedos a través de las imágenes de satélite permite obtener una mayor
información de una extensión de territorio amplia, así como dar propuestas para un mejor manejo de
los suelos para diferentes usos, como lo es la agricultura ya sea de temporal o de riego, como es el
caso de la zona de estudio que se dedica a la actividad florícola y en algunas zonas agricultura de
temporal, la cual detendrá el deterioro del suelo, evitando el abandono de terrenos y por
consiguiente la apertura de nuevos terrenos y la deforestación de las zonas boscosas, permitiendo la
alta productividad de la región y el mejoramiento de la calidad de vida de los habitantes de la
misma.
El tratamiento de las imágenes de satélite nos permiten tener un aspecto preliminar de que es lo que
existe en la superficie terrestre, así como identificar elementos naturales que puedan permitir una
explotación racional de los recursos naturales, como es el caso de los suelos húmedos los cuales
ayudan a optimizar áreas de cultivo, y así evitar la degradación de los suelos y por lo tanto un mejor
aprovechamiento de estos.
Por último cabe resaltar que los Sistemas de Información Geográfica (SIG) no han sido sólo una
herramienta para los geógrafos, si no que se han desenvuelto en diversas disciplinas, tal es el caso
de la Ciencia del suelo, la cual ha iniciado a involucrarse para mejorar las mejores propuestas de
conservación de suelos, así como su productividad y por lo tanto evitar su degradación.
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7
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TABLAS
A continuación se presentan las Tablas y Figuras que se mencionan en el texto, y para ser
demostrativos los resultados a los que se llegarán en esta investigación.
Tabla 1. Valores de Reflectancia de las diferentes coberturas
Campo Entrenamiento
1
Suelos No húmedos
8
120
Bandas
2
5
93
101
Suelos Húmedos
Bosque
Cuerpos de Agua
Zonas Urbanas
Rocas
122
160
132
172
181
94
82
66
92
84
95
87
73
95
83
Fuente: Elaboración propia con base a las Imágenes de Satélite (2005)
Tabla 2. Suelos Correlacionados con los valores de ambos modelos
Unidades Edáficas
Modelos
Clasificación Tasscap
Andosol
Feozem
Vertisol
Cambisol
1
1
1
1
1
1
1
1
Fuente: Elaboración propia con base a las Imágenes de Satélite (2005), cartas Edafológicas 1:50,000 INEGI
(1975)
FIGURAS
9
Figura 1. Imagen con el compuesto 1,2,5 de la zona Floristica del Estado de México
Imágenes Landsat TM (noviembre, 2005)
Figura 2. Firmas espectrales de las diferentes coberturas
10
Figura 3. Mapa de las diferentes coberturas identificando suelos húmedos
Fuente: Elaboración Propia con base Imágenes de Satélite (noviembre, 2005)
Figura 4. Mapa de Discriminación de la vegetación y suelos desnudos
Fuente: Elaboración Propia con base Imágenes de Satélite (noviembre, 2005)
11
Figura 5. Mapa de Suelos húmedos (Resultado Clasificación-NDVI)
Fuente: Elaboración Propia con base Imágenes de Satélite (noviembre, 2005)
Figura 6. Mapa de Humedad (Tasscap)
Fuente: Elaboración Propia con base Imágenes de Satélite (noviembre, 2005)
12
Figura 7. Mapa de Suelos con Humedad (Tasscap-NDVI)
Fuente: Elaboración Propia con base Imágenes de Satélite (noviembre, 2005)
13