Estimación de superficies cultivadas en la Comunidad Autónoma de

ESTADISTICA ESPAÑOLA
Vol. 32, Núm. 125, 1990, págs. 505 a 518
Estimación de superficies cultivadas en la
Comunidad Autónoma de Navarra a partir de
imágenes de satélite y encuestas de campo
por
F. GONZALEZ ALONSO
S. LOPEZ SOR IA
J. M. CUEVAS GOZALO
Sección de Teledetección Agraria
Instituto Nacional de Investigaciones Agrarias
Apa rtado de Correos, 81 1 1 - 2 8080 M A D R I D
RESUMEN
Se presentan los resultados obtenidos en la estimación de
superficies cuitivadas en una Zona piloto del sur de Navarra
utiliiando dos metodologías: una de ellas basada en la propuesta
por el I nstituto para las Apiicaciones de la Teledetección de la
CE de Ispra y la otra basada en el esquema tradicional de marco
de áreas que emplea el Servicio de Estadística Agrícola de los
Estados U nidos, incorporando en a mbos casos la información
espectral contenida en una imagen de sat,élite Landsat TM. Se
ha Ilegado a la canclusión de que la precisión de las estimaciones realizadas por expansión directa y por regresión son bastantes similares en ambos métodos, obteniéndose unos valores de
Eficiencia Relativa Ponderada mayores en el caso de los segmentos cuadrados (metodología de la CE). Los valores de Eficiencia Relativa obtenidos a nivel de cultivo individual son en
general buenos, superando incluso a los obtenidos en las experiencias realizadas en 1 988 por el Instituto para las Aplicaciones
de la Teledetección de la CE.
Palabras C/ave: Teledetección, Estadística Agraria.
Clasificación AMS: 62J00, 62D46.
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1.
INTR©DUCCION
Las imágenes procedentes de los satélites de observación de la Tierra
poseen importantes ventajas para la realización de las estadísticas agrarias
pudiéndose citar las siguientes:
Fácil obtención de las imágenes a través de las redes internacionales
de comercializacián y distribución.
Costes por unidad de superficie mt^derados.
Cobertura homogénea de la información registrada por los sensores.
Repetición de !as observaciones cada pocos días.
Informaci+ón disponible directamente en formato digital.
Así pues, se puede afirmar que la estirr^ación de superficies cultivadas
mediante la integración de técnicas de muestreo convencional (marco de
muestreo por áreas) con técnicas de Teledetección espacial es la aplicación
en que la Teledetección presenta m.ayor viabilidad operacional e interés
económico para la agricultura.
Esta uti^ización de las imágenes de satélite se ha realizado de forma
sistemática por el Servicio de Estadística Agrícofa de Estados Unidos durante el período 1980-1987 en ocho estados cerealistas, con resultados
altamente satisfactorios (Allen y Hanuschak, 1988). Experiencias simiiares
se han desarrollado en Canadá, Australia, Brasil, Argentina, Francia, Italia,
etc. En España, esta línea de trabajo se inició en la Sección de Teledetección Agraria del Instituto Nacional de lnvestigaciones Agrarias en 1982,
desarrollándose a este fin el sistema infarmático ERAFIS (Estimación de
Recursos Agrícolas y Forestales mediante Imágenes de Satélite) (Moro et
al., 1984 y 1986) y realizando su aplicación en una zona piloto de la
pravincia de Toledo (González et ai., 1 988).
EI ^26 de septiembre de 1988 el Consejo de Ministros de la Comunidad
Europea aprobó el Proyecto Piloto de Teledetección Aplicada a las Estadísticas Agrarias. Este proyecto tiene como objetivo evaluar las aplicaciones
de la Teledetección espacial en el campo de la estadística agraria, con el fin
de integrar este tipo de técnicas en los procedimientas de obtención de
información sobre la agricultura, de cara a la correcta aplicación de 1a
palítica comunitaria en materia agrícola.
Así pues, la mejora de las estadísticas agrarias obtenidas mediante la
utilización de las imágenes de los satélites de observación de la Tierra será
de una gran utiiidad en un próximo futuro para la polítíca agraria comunitaria, especialmente la que concierne a los países comunitarios del sur,
cuando se haya conseguido la implementación operacional del procedimiento a nive! de todo el territorio nacional.
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2.
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4O7
O BJ ETIVOS
EI objetivo general de este estudio ha sido poner a punto un método que
permita realizar la estimación de las superficies cultivadas mediante el
empleo combinado de técnicas de Teledetección espacíal y trabajos de
campo.
Dentro de este objetivo general, el objetivo concreto de nuestr© estudio
ha consistido en camparar dos metodologías diferentes orientadas hacia la
realización de estadísticas agrarias a partir de encuestas de campo y datos
de Teledetección. La primera de éstas es una adaptación de !a metodología
propuesta por el Instituto para las Aplicaciones de la Teledetección de la
CE de Ispra y la segunda es una adaptación de !a metodología tradicional
de marco de áreas que emplea el Servicio de Estadística Agrícola de los
Estados Unidos. En lo sucesivo ambas metodologías se denominarán respectivamente "Método de los Segmentos Cuadrados'" y'"Método de los
Segmentos Irregulares"". En cada metodología se han empleado dos métodos de estimación diferentes: estimación por expansión directa y estimación por regresión.
EI estudio se ha realizado en una zona piloto de la Cornunidad Autónoma
de Navarra donde se han aplicado de forrna paralela e independiente ias
dos metodologías, con objet0 de comparar estadísticamente los resultados
tanto, desde el punto de vista de ia precisión, medida ésta a través del
coeficiente de variación, como desde el punto de vista del interés de
integrar los datos de satélite con la información de campo, medido éste a
través de la Eficiencia Relativa del estimador por regresión con respecto al
estimador por expansión directa.
También se ha analizado la posible viabilidad de cada una de las dos
metodologías de cara a un futuro enfoque operacional de las mismas a
nivel regional o nacional.
3.
DESCRIPCION DE LA ZONA EN ESTUDIO
La zona geográfica donde se ha realizado el estudio comprende catorce
términos municipales pertenecientes a la Comunidad Autónoma de Navarra, y tiene una superficie total de aproximadamente 90.000 ha. Las coordenadas geográficas límite entre las que se encuentra esta zona son:
42.3509 Latitud Norte, 42.1526 Latitud Sur, 1.5810 Longitud Oeste y
1.3826 Longitud Este.
La zona en estudio está atravesada por el río Ebro de Oeste a Este en su
parte sur, surcándola de Norte a Sur algunos de sus afluentes (Ega, Arga y
t^;t•+^t^^tit^c > t^t^^^tic^t.^^
Aragón). Las altitudes de esta zona van desde algo menos de 300 m hasta
ñ35 m.
Las precipitaciones anuales oscilan entre 400 y 6tJ0 mm, y la precipitación de verano ronda los 100 mm. Según la clasificación agroclimática de
Papadakis el clima se caracteriza por un régimen térmico Templad0 cálido
y por un régimen de humedad Mediterráneo seco. Estos terrenos pertenecen al Terciario continenta! y al Cuaternario, pudiendo clasificarse sus
suelos en los órdenes ENTISOLS, ARIDSOLS e INCEPTISOLS.
La vegetación natural pertenece !a serie mesomediterránea de la coscoja
(Quercus coccifera L.}, existiendo repoblaciones de Pinus halepensis Miller.
Este área es fundamentalmente agrícoia, mayoritariamente en secano con
cultivos de cereales, siendo ios más abundantes el trigo y la cebada. Los
regadíos tmaíz, leguminosas, etc.) están presentes básicamente en las cercanías de los ríos, en los que también son frecuentes las plantaciones de
chopo.
4.
METODOLOGIA
EI método que hemos denominado de los Segmentos Cuadrados coincide
en gran parte con la rnetodología propuesta por e1 I nstituto para las Aplicaciones de la Teledetección de !a CE en Ispra en su concurso de Inventarios
Regionales del año 1988. EI método de los Segmentos Irregulares está
inspirado en el método seguido por el Servicio de Estadística Agraria dei
Departamento de A^ gricultura de los Estados Unidos, que utiliza segmentos
de contorno irregular que comprenden un conjunto de parcelas enteras con
límites permanentes en el tiempo y fácilmente reconocibles en el terreno.
Tanto en uno como en otro método la metodologia ha constado de las
mismas fases, y las diferencias entre ambos métodos se encuentran a la
hora de implementar desde un punto de vista práctico los mismos, tal y
camo se indica rnás adelante.
Fase de eneuesta de campQ
Las fases consideradas son:
a)
Estratificación del área en estudio.
b)
Selección de los segmentos a encuestar.
c)
Realización de la encuesta de campo.
d)
Digitalización y registro geográfico de los segmentos.
e}
Estimación de las superficies cultivadas por el método de expansión
directa.
ESTIMA(:'I()N DE^ Sl1PERF1('IES C'I;LTIVADAS EN LA C'()h1l1tiIDAD AI.^TOtiC)MA DE NAVARRA
SU9
Fase de Te/edeteccíón
a^
Selección de la imágen Landsat TM a utilizar y registro geográfico de
fa misma a coordenadas UTM.
b)
Obtención de las signatu ras espectrales de los cultivos considerados
y evaluación del clasificador,
c)
Clasificación supervisada del área en estudio.
d)
Estimación de las superficies cultivadas por el método de regresión.
Estratificación y se%cción de /a muestra
Inicialmente se definieron seis estratos (labor secano, regadío, leñosos
secano, pastos, arboleda natural, urbano e improductivol. En el método de
los segmentos cuadrados para realizar la estratificación se utilizó la información contenida en el Mapa de Cultivos y Aprovechamientos de Navarra
a escala 1:200.000, calificando cada celda de 5.600 m de lado en el
terreno como perteneciente al estrato al cual pertenecía la rr^ayoría de sus
celdillas de 700 m de lado en e! terreno. Cada una de estas celdillas se
asignó al uso del suelo mayoritario en ella mediante apreciación visual.
En el método de los segmentos irregulares se realizó la estratificación
partiendo de la informacián digitalizada por el catastro de Navarra. Cada
polígono catastral del área en estudio se asignó como perteneciente al
estrato del que existía mayor superficie digitalizada calculada a partir de las
diferentes parcelas que componían dicho polígono catastral. Así pues, cada
estrato estuvo compuesto por el conjunto de poligonos catastrales que le
fueron asignados.
En el método de los segmentos cuadrados cada segmento tuvo 700 m
de lado, investigándose en el campo 24 de estos segmentos. Los tipos de
cubierta considerados fueron 20.
En el método de los segmentos irregulares la seleccián de los segmentos
a encuestar se realizó seleccionando primero una serie de polígonos catastrales como unidades primarias de muestreo y luego dentro de cada polígono catastral seleccionado se config^ró un segmento de contorno irregular y
de una superficie aproximada de 50 ha, compuesto por parcelas enteras
que fue el que se visitó en el campo. EI tamaño total de la muestra en este
método, al igual que en el anterior, fue de 24.
Estímación por expansión dírecta
Tanto en uno como en otro método la estimación de las superficies
cultivadas por expansión directa está ligada exclusivamente a la realización
de la encuesta de campo.
S I Cl
FSTADlS Tit"A E:S^P-^^ ti(7I.A
Para estimar las superficies ocupadas por ios cultivos de interés mediante el método de expansión directa se han empleado las fórmulas del
muestreo estratificado aleatorio en el caso de poblaciones finitas, y más en
cancreto, las fórmulas propuestas par la CE en su concurso de inventarios
regionales de 1988.
Asi pues, si queremos estimar la superficie ocupada por el trigo en la
zona de estudio:
r
h
,.
T = ^ T (i }
i- r
donde:
„
_
T (i } = p (i ) y (i}
_
n (i)
Y (i) = ( ^ /^(i} ) ^ Y(i•%)
i=+
V (T) _ ^ V (T (i } ) _ ^
i= i
D2 (i ) V ( y(i)1
i=1
dande:
V (Y(i) ) = (1 -n(i)/N ( if ) (1 /n(r) ) ( 1 /(n(i)-1) ) ^) (y(i,j}-y(í) )2
Siendo:
h
= Número de estratos.
A
T
^
T(ij
= Superficie estimada para el trigo en la zona en estudio.
N(i)
n(i}
= Númera de segmentos que comprende el estrato i.
= Número de segmentos muestreados en el estrato i.
D(i)
= Superficie en hectáreas del estrato i.
y(i)
= Tanto por uno medio de ha de trigo por segmento en el estrato i.
= Tanto por uno de ha de trigo en el segmento j del estrato i.
y(i,j}
^ ^
V(T)
= Superficie estimada para el trigo en e! estrato i.
= Varianza estimada para la superficie ocupada por el trigo en la
zona en estudio.
^ ^
V(T(i) ^ = Varianza estimada para la superficie ocupada por el trigo en ei
estrato i.
r
V{y li)) = Varianza estimada para el tanta por una medio de ha de trigo por
segmento en el estrato i.
ESTIMA('ION DE SIJP^:RFI(`IES ('l.^ LTIVADAS EN [.A C°OMl;ti1II^AD Al?TONOMA DE: tiAVARRA
S^^
Estirrracíón por regresión
Tanto en una como en otra rnetodología, para realizar la estimación de
las superficies cultivadas por el método de regresión es necesario considerar tanto fos resultados de la encuesta realizada en el campo como los
resultados obtenidos al clasificar de forma supervisada todos y cada uno de
1os elementos de información que constituyen la imagen digital captada por
el satélite y que se denominan "pixel" (p^cture eiementj.
La estimación por regresión consiste en corregir la media estimada de
una variable Y en función de los resultados abtenidos para una variable
auxiliar X. En nuestro caso Y es el porcentaje que el cultivo en cuestión
ocupa en cada segmento tal y como se ha determinado a partir de la
digitalización de la encuesta de campo, mientras que X es el porcentaje
que el cultivo en cuestión ocupa en cada segmento, tal y como se ha
obtenido mediante la clasificación supervisada de la imagen de satélite.
EI ajuste por regresión será tanto mejor cuanto rnayor sea !a correlacián
entre las variables X e Y, es decir cuanto mayor sea la relación lineal
existente entre la superficie calculada para el cultivo en cuestión en cada
segmento y el núrnero de píxeles clasificados como pertenecientes a dicho
cu Itivo.
La aplicación del método de regresión exige que la media de X sea
conocida para el conjunto de toda la población.
^
Las fórmulas que siguen a continuación han sido tomadas del libro de
Cochran (1977) "Sampling techniques", capítulo 7.
EI ajuste por regresión se realiza estrato por estrato y en estas condiciones se tiene:
Y,e9(^) = y(i)) + b(i) (mX(i) - x(i))
Siendo mX(i) el porcentaje de píxeles clasificados como del cultivo de
interés para el conjunto del estrato i.
x(i) se define de la misma forma que y(i1, siendo x(i,j) el porcentaje de
píxeles del segmento j del estrato i que se han clasificado como del cultivo
de interés ( ver las fórmulas de estimación utilizadas en el caso de expansión directa).
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-
_
^ (y(i,jl - y(i) 1 (x(í,j) - xií) 1
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n (i1
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.^ (x(i,j) -- x (i) )2
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v(y^^9ci) ) =V(Yri) ) (1-r(i)2)
. (1 ^
E:ST AE^Iti'f l('A ESF'Ati()I_A
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Siendo:
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-.-
-
^ ^y^i,i) - y^i) } Íx(i,j) - x(i) }
i- ^
^
^;^ iyÍi,%) - y^i} )2 ^^^ (x(i,j} - xÍiÍ }2 }^^z
i^^
i=r
En estas condiciones:
A
n
T,^9 -^ D l i) y r^,9 ^ l}
;^ ^
V( Tr^ }_^ D (i)a V(Yf^9(i) 1
9
^-1
Un aspecto importante que hay que resaltar es que, tal y como se
desprende de la fórmula (1 ), cuanto mayor sea la correlación existente
entre las variables Y y X menor será la varianza del estimador por regresián
y, en consecuencia, mayor será el interés de combinar la informacián de
campo y las imágenes de satélite.
Efíciencra re/ativa
Con ob^eto de poder medir cual es el interés de incorporar los datos de
Teledeteccián a un muestreo por marco de áreas convencionai, se define la
Eficiencia Relativa de! estimador de regresión con respecto al estimador
par expansión directa como el ratio entre sus varianzas respectivas. Es
decir:
A
Eficiencia Relativa (ER) _
A
V(T)
A
I^
V ^ Tr^9 )
5.
APLiCACION Y RESULTADOS
Los trabajos de campo relativos a la investigación de los segmentos
utilizados en ambos métodos se realizaron durante el período comprendido
entre el 15 y e! 3o de marzo de 1988. En la tabla 1 se presenta un
resumen de diversas características de la muestra de segmentos empleada
en cada método.
De cara a!a estimación de superficies, los estratos inicialmente consíderados se refundieron en dos, Secano y No Secano, y fos cultivos considerados fueron: Trigo, Cebada, Maíz, Viñedo, Barbecho y Espárrago.
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SEGMENTOS
SEGMENTOS
CUADRADOS
IRREGULARES
24
24
664
508
27,66
21,1 6
SUPERFICIE DIGITALIZADA
1.163 ha
1.139 ha
SUPERFICIE MEDIA / SEGMENTO
48,46 ha
47,48 ha
12.936
12.659
539
527
PiXELES "' NO BORDE" EN LA MUESTRA
4.720
4.f376
MEDIA PIXELES / PARCELA
1 9,48
24,91
7,10
9,59
36,44
38,49
TAMAÑO DE LA MUESTRA
NUMERO DE PARCELAS EN LA MUESTRA
MEDIA DE PARCELAS / SEGMENTO
PIXELES EN LA MUESTRA
MEDIA DE PIXELES / SEGMENTO
MEDIA PIXELES " NO BORDE" / PARCELA
% PIXELES " NO BORDE"' / PARCELA
51^
TABLA 1. Características de las muestras de segmentos
En la tabla 2 se presentan los resultados obtenidos en ambos métodos,
tanto en lo que se refiere a la Estimación por Expansión Directa como a la
Estimación por Regresión.
De cara al establecimiento de comparaciones entre ambos métodos,
desde el punto de vista de la precisión, se ha calculado un Coeficiente de
Variación Ponderado (CVP) mediante el empleo de la fórmula:
n
CVP =
^
^ Si `^ V )i
i= 1
Siendo:
^
S,
= Superficie estirnada para el cultivo i.
(CV); = Coeficiente de Variación para el cultivo i.
n
= Número de cultivos estudiados.
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S^5
En la tabla 3 se muestran los valores obtenidos para el coeficiente CVP
en ambos métodos.
METODO DE LOS
SEGMENTOS
CUADRADOS
METODO DE LOS
SEGMENTOS
IRREGULARES
CVP
Expansión Directa
20,99 %
18,70 %
CVP
Regresión
9,96 %
1 1,91 %
TABLA 3. Valores de CVP
Análogamente, para poder determinar de una forma global una eficiencia
relativa para el conjunto de las clases de cubierta estudiadas en ambos
métodos, se ha calculado una Eficiencia Relativa Ponderada ^ERP) de la
forma siguiente:
n
Eficiencia Relativa Ponderada =
,.
^ Sreg. ^ER)i
^
^_ ^
n
,.
^ S reg;
i=1
Siendo:
^
S,eg; = Superficie estimada por regresión para el cultivo i.
(ER); = Eficiencia Relativa para el cultivo i.
n
= Número de cultivos estudiados.
En el método de los segmentos cuadrados la ERP obtenida ha sido 3,85
y en el método de los segmentos irregulares la ERP fue 2,89.
6.
CONCLUSIONES
Del desarrollo de la investigación realizada se pueden extraer las siguíentes conclusiones:
a) La precisión de las estimaciones realizadas por el método de expansión
directa son bastante parecidas en los dos métodos ensayados, siendo
ligeramente mejor el valor del CVP en el caso del método de Ios
segmentos irregulares (1 8,70 % frente a 20,99 %). A nivel de cultivo
E^sr.nni^ric^,^ ^.s^:^^c^[_,^
^ 1 f^
individual los mejores resultados se han obtenido en el caso de la
cebada con un CV del 12,45 °l° en el método de los segmentos
cuadrados y un CV del 13,53 % en ef caso del método de los segmentos irregulares.
b) La precisión de las estimacíanes realizadas p©r el método de regresián
también son similares en ambos métodos, siendo el va{or de CVP
ligeramente mejor en el caso del método de los segmentos cuadrados
(9,96 % frente a 1 1,91 %). Si en este caso también se desciende a
nivel de cultivo individual los mejores resultados se han obtenrdo para
la cebada (CV = 5,65 %} y fos barbechos (CV = 7,73 %) en el caso de
los segmentos cuadrados, y para el maíz (CV = 8,29 %) y 1a cebada
(CV = 9,1 0°f°) en el caso de los segmentos irregulares. Estos valores
del CV parecen bastante aceptables y son camparables a los obtenidos en atras experiencias análogas.
c} Desde la perspectiva de la eficiencia re/ativa, los valores de la ER P
obtenidos ponen de manifiesto que la consideración de los datos de
Teledetección es más relevante en el caso del método de fos segmentos cuadrados, puesto que la ERP en este caso ha sido de 3,85 frente
a un valor de 2,89 obtenido para la ERP en el método de fos segmentos irregulares.
Si se desciende a nivef de cuftivo individual, también hay que señalar
en este caso que los valores de !a ER obtenidos son análogos a los
obtenidos en las experiencias realizadas en el año 1 988 por el Instituto para las Aplicaciones de la Te^edetección de la Comunidad Económica Europea.
La aplicación operacional en España del método de los segmentos cuadrados parece más factible que el método de los segmentos irregulares por
su mayor facilidad de implementacián práctica, además de la mayor precisión de 1os resultados obtenidos cuando se ha integrado en el procedimiento la información procedente de Teledetección.
7.
AGRADECIMIENTOS
La realización de este trabajo ha sido posible gracias a la financiaci©n y al
apoyo proporcionados por el Servicio de Estadísticas Agrarías de la Secretaría General Técnica del Ministerio de Agricultura, Pesca y Alimentación.
f:^T IMAC'ION Df: Sl'f'f^Rf=1{'If^:S (' t'1.7^IV;1[)AS Eti L^^ ('OMl'tiID^^,D -^l' TOtiOti1-1 [>F. ^.A^'^^Rft-^
5^7
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ESTAE)ISTI(`;^ E:SPAtiOLA
CROP AREA ESTIMATION IN THE AUTQNOMOUS
COIVIUNITY OF NAVARRA USING SATELLITE IMAGES
AND AREA FRAME SAMPLING
SUM^MARY
The results obtained in the crop area estimation in a pilot area
of Navarra using satellite images and area frame sampling are
presented. Two methodologies were tested, one of them based
on the proposed by the Institute of Remote Sensing Applications of the EC in Ispra and the other based on the traditional
scheme of area frame sampling that uses the National Agriculture Statistics Service (NASSI of the United States. The main
conclusion obtained in this study is that the accuracy of the
estimations are quite similar in both methodologies, obtaining
values of the Ponderated Relative Efficiency higher in the case
of using square segments ^EC methodology). The Relative Efficiency values obtained at the individual crop level are good in
general, being comparable to those obtained in the experiences
developped in 1988 by the Institute of Remote Sensing Applications of the EC.
^
Key words: Agr^cultural statistics, remote sensing.
AMS ^lasifieation: 62J40, 62 D05.