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Proyecto de Bosques Nativos y Áreas Protegidas BIRF 4085-AR “Inventario Nacional de Bosques Nativos y Sistema Nacional de Evaluación Forestal” MANUAL DE TELEDETECCIÓN (Noviembre 2004) Dr. Néstor Carlos Kirchner Presidente de la Nación Argentina Señor Daniel Osvaldo Scioli Vicepresidente de la Nación Argentina Dr. Ginés González García Ministerio de Salud y Ambiente Dr. Atilio Armando Savino Secretaría de Ambiente y Desarrollo Sustentable Dr. Homero Máximo Bibiloni Subsecretario de Recursos Naturales, Normativa, Investigación y Relaciones Institucionales Ing. Forestal Carlos Elías Merenson Director Nacional de Recursos Naturales y Conservación de la Biodiversidad Ing. Forestal Jorge Luis Menéndez Director de Bosques Ing. Forestal Sergio Mario La Rocca Coordinador Proyecto Bosques Nativos y Áreas Protegidas BIRF 4085-AR Componente Bosques Nativos El Primer Inventario Nacional de Bosques Nativos se inició como un objetivo del Proyecto Bosques Nativos y Áreas Protegidas BIRF 4085 AR, operación acordada por el Gobierno Nacional con el Banco Internacional de Reconstrucción y Fomento (BIRF), cuyo ejecutor es la Secretaria de Ambiente y Desarrollo Sustentable (SAyDS) de la Nación. Como Director Nacional del Proyecto, el Ingeniero Forestal Carlos E. Merenson cumple con la responsabilidad de conducción y administración desde su inicio. La Coordinación del Componente Bosques Nativos estuvo inicialmente a cargo del Ingeniero Forestal Sergio M. La Rocca (1997-2000), continuando en una segunda etapa al frente del Ingeniero Agrónomo Enrique J. Schaljo (2000-2002), retomándola nuevamente el Ingeniero Forestal Sergio M. La Rocca (2002-2004). La contraparte técnica de la SAyDS es la Dirección de Bosques (DB), en una primera etapa bajo la conducción del Ingeniero Forestal Carlos E. Merenson (1997-1998) y, promovido éste a Director de la Dirección Nacional de Recursos Naturales y Conservación de la Biodiversidad (DNRNyCB), fue reemplazado por el actual Director de Bosques, Ingeniero Forestal Jorge L. Menéndez (1998-2004). Personal de Secretaría de Ambiente y Desarrollo Sustentable que ha participado en el Proyecto: Dirección Nacional de Recursos Naturales y Conservación de la Biodiversidad En la dirección nacional del proyecto Ingeniero Forestal Carlos E. Merenson Dirección de Bosques En la responsabilidad de contraparte Ingeniero Forestal Jorge L. Menéndez En la asistencia técnica † Ingeniero Agrónomo Horacio A. Crosio En el equipo técnico Ingeniera Agrónoma Celina L. Montenegro Geógrafa Mabel H. Strada Ingeniero Forestal Manuel E. Juárez Licenciada en Biología María Gabriela Parmuchi Ingeniero Forestal Néstor I. Gasparri Licenciada en Biología Julieta Bono Ingeniero Forestal Eduardo Manghi En apoyo administrativo Señorita Carla R. Rubietti Señorita Paula M. Rubietti Unidad Ejecutora del Componente A del Proyecto Bosques Nativos y Áreas Protegidas BIRF 4085-AR En la coordinación general Ingeniero Forestal Sergio M. La Rocca En la asistencia de coordinación: Ingeniera Forestal Rosa Inés Heinrich En la supervisión técnica: Licenciada en Biología Lucila D. Boffi Lissin † Ingeniero Forestal Felipe A. Ledesma Ingeniero Forestal José Alberto Maldonado En la coordinación administrativo contable: Contador Público Nacional Marisa L. Rosano Señor Daniel A. Osorio Señorita Marcela E. Sayago Doctor Martín A. Sabbatella En apoyo administrativo: Señora Nélida M. Colman Señor Guillermo H. Rodríguez Licenciada en Sociología Angélica V. Siepe Señor Camilo Giovaninni Índice Índice 1 PREFACIO ................................................................................................................... 1 2 INTRODUCCIÓN........................................................................................................ 2 2.1 Principios básicos de la teledetección........................................................................ 2 2.1.1 Definición de teledetección.............................................................................. 2 2.1.2 Fundamentos de la observación remota ........................................................... 2 2.1.3 El espectro electromagnético ........................................................................... 3 2.1.4 Firmas espectrales ............................................................................................ 4 2.1.5 Perturbaciones de la radiación electromagnética por la atmósfera .................. 7 2.2 Plataformas satelitales ............................................................................................... 9 2.2.1 Tipos de sensores remotos................................................................................ 9 2.2.2 Características de los sensores ......................................................................... 10 2.3 Procedimientos de extracción de información de datos satelitales............................ 13 2.3.1 Selección y fecha de toma de las imágenes...................................................... 13 2.3.2 Preprocesamiento ............................................................................................. 13 2.3.3 Procesamiento .................................................................................................. 17 2.3.4 Extracción de la información ........................................................................... 19 2.3.5 Evaluación de exactitud ................................................................................... 21 3 FASE DE TELEDETECCIÓN Y SU RELACIÓN CON LOS RECURSOS FORESTALES.............................................................................................................. 23 3.1 Los inventarios forestales .......................................................................................... 23 3.2 Niveles de los inventarios forestales.......................................................................... 24 3.3 La teledetección aplicada a los inventarios forestales ............................................... 27 3.4 Procedimientos de clasificación de los recursos forestales y usos de la tierra .......... 34 3.5 Esquema conceptual de clasificación para la interpretación ..................................... 35 3.6 Combinación de datos de teledetección y trabajo de campo ..................................... 37 4 DESCRIPCIÓN DE LAS PLATAFORMAS DE SOFTWARE .............................. 39 4.1 ERDAS IMAGINE versión 8.3.1 .............................................................................. 39 4.2 ArcView GIS 3.1 ....................................................................................................... 39 4.2.1 Módulo de ArcView Image Análisis, versión 1.1............................................ 40 4.3 Vinculación entre archivos de las plataformas.............................................................. 40 5 METODOLOGÍA DETALLADA DE LA FASE DE TELEDETECCIÓN............ 42 5.1 Introducción............................................................................................................... 42 5.2 Objetivos general y específicos ................................................................................. 42 5.3 Preprocesamiento....................................................................................................... 45 5.3.1 Selección y pedido de la imágenes satelitales .................................................. 45 5.3.2 Importación de las imágenes satelitales ........................................................... 48 5.3.3 Georreferenciación ........................................................................................... 50 5.4 Selección y combinación de bandas ..........................................................................61 5.5 Realces preliminares.................................................................................................. 62 5.6 Estratificación Preliminar .......................................................................................... 65 5.6.1 Definición de bosques inventariables y no inventariables ............................... 65 Índice 5.6.2 Interpretación preliminar.................................................................................. 66 5.6.3 Adquisición de datos de campo........................................................................ 69 5.6.4 Verificación y ajuste de la estratificación preliminar....................................... 72 5.6.5 Mapa forestal preliminar .................................................................................. 72 5.7 Estratificación Final................................................................................................... 73 5.7.1 Estratificación final de Área Bosque................................................................ 73 5.7.2 Estratificación final de Área No Bosque.......................................................... 79 5.8 Generación de mapas temáticos y cálculo de superficies .......................................... 80 6 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ....................................................................... 81 7 GLOSARIO .................................................................................................................. 86 Índice Figuras Figura 2.1: Fundamentos de la percepción remota........................................................... 3 Figura 2.2: Espectro electromagnético ............................................................................. 3 Figura 2.3: Firmas espectrales típicas de la vegetación, agua y suelo ............................. 4 Figura 2.4: Firmas espectrales y bandas espectrales de Landsat TM............................... 5 Figura 2.5: Propiedades ópticas de una hoja en función de la longitud de onda.............. 6 Figura 2.6: Firmas espectrales reales................................................................................ 7 Figura 2.7: Tipos de sensores ........................................................................................... 9 Figura 2.8: Píxel y resolución espacial............................................................................. 11 Figura 2.9: Diversas transformaciones geométricas......................................................... 16 Figura 2.10: Bandas originales ........................................................................................... 18 Figura 2.11: Imagen original y realzada............................................................................. 19 Figura 3.1: Áreas que intervienen en la ejecución y uso de los resultados de los inventarios forestales ..................................................................................... 24 Figura 3.2: Relación entre los estratos de inventarios forestales de diferentes niveles.... 25 Figura 3.3: Relación entre la teledetección y los niveles de los inventarios forestales.... 27 Figura 4.1: Plataformas utilizadas y su relación con los procedimientos realizados en el inventario en la fase de teledetección.................................................... 41 Figura 5.1: Etapas de la metodología desarrollada para el inventario.............................. 44 Figura 5.2: Catálogo de consultas de la CONAE............................................................. 46 Figura 5.3: Ejemplo de un “quick look” obtenido del catálogo de la CONAE................ 47 Figura 5.4: Ventanas de diálogo para la conversión del fast format ................................ 49 Figura 5.5: Ventanas de diálogo para definir los parámetros del modelo ........................ 53 Figura 5.6: División del territorio argentino según la proyección Gauss Krüger ............ 54 Figura 5.7: Ventanas de diálogo para la transformación de las proyecciones.................. 57 Figura 5.8: Ventanas de diálogo para el ingreso de los puntos de control ....................... 58 Figura 5.9: Ventanas de diálogo para la definición del modelo de remuestreo ............... 60 Figura 5.10: Realces y editor de histogramas de contraste ................................................ 63 Figura 5.11: Efectos de la adición de breakpoint en la curva de contraste ........................ 63 Figura 5.12: Herramientas para consultar los contrastes deseados .................................... 64 Figura 5.13: Ejemplo de una sesión de interpretación en ArcView................................... 68 Índice Tablas Tabla 2.1: Principales ventanas atmosféricas.................................................................... 8 Tabla 2.2: Características de las imágenes satelitales Landsat 5 TM y SPOT 3 HRV ..... 12 Tabla 2.3: Ejemplo de matriz de error de la región Selva Misionera................................ 21 Tabla 3.1: Importancia relativa de diversas variables en los inventarios forestales.......... 26 Tabla 3.2: Diversos programas y sensores satelitales disponibles para los inventarios forestales........................................................................................................... 31 Tabla 3.3: Inventarios forestales nacionales con componentes de teledetección.............. 32 Tabla 3.4: Principales clases de coberturas de la tierra definidas por el FRA 2000 ......... 36 Tabla 3.5: Esquema general de los estratos adaptado del FRA 2000................................ 37 Tabla 5.1: Criterios utilizados para la selección de la época óptima de las imágenes ...... 45 Tabla 5.2: Imágenes Landsat TM por región .................................................................... 48 Tabla 5.3: Estructura del fast format ................................................................................. 48 Tabla 5.4: Contenido del archivo header.dat..................................................................... 49 Tabla 5.5: Criterios de evaluación de las imágenes .......................................................... 50 Tabla 5.6: Especificaciones de la proyección Gauss Krüger ............................................ 54 Tabla 5.7: Parámetros para definir la proyección de las imágenes ................................... 55 Tabla 5.8: Características de los métodos de remuestreo disponibles............................... 59 Tabla 5.9: Planilla del historial de los documentos para la georreferenciación ................ 61 Tabla 5.10: Clave de interpretación preliminar de la Selva Misionera ............................... 67 Prefacio Página 1 1. PREFACIO El presente manual fue preparado en el marco del Proyecto de Bosques Nativos y Áreas Protegidas: Inventario Nacional de Bosques Nativos, Sistema Nacional de Evaluación Forestal, con la finalidad de presentar en detalle la metodología y los procedimientos utilizados para la producción de mapas forestales para cada región forestal, a partir de imágenes satelitales. La primera parte de este manual presenta los fundamentos y conceptos básicos de la teledetección espacial, así como los principales procesos y tratamientos numéricos de imágenes satelitales que se usan en teledetección. Se incluye también, una presentación de los programas utilizados en el marco del Proyecto, ERDAS IMAGINE 8.3 y ArcView GIS 3.1 con la extensión Image Analysis. La segunda parte, trata los conceptos básicos sobre los Inventarios Forestales, su historia, sus principios y enfoques actuales, citándose ejemplos en diversos países. La tercera parte, presenta con detalle la metodología desarrollada y la secuencia de los tratamientos utilizados en las distintas fases del Proyecto, particularmente en las siguientes etapas: i) apoyo a las actividades de inventario forestal, con la delimitación y estratificación preliminarde los bosques inventariables, ii) producción de mapas forestales de cada región forestal, una vez que los datos del inventario fueron compilados, analizados y comparados con las imágenes, iii) análisis general de las coberturas vegetales de cada región forestal, con la estratificación del territorio no inventariable correspondiente. De esta manera se pretenden cubrir los aspectos teóricos de la teledetección en el marco de levantamientos para la evaluación de recursos forestales, como también los aspectos operativos básicos que permitan utilizar la información generada por el Primer Inventario Nacional de Bosques Nativos. Es autor de este manual el Dr. Hugo Raúl Zerda, experto en Teledetección. Introducción Página 2 2. INTRODUCCIÓN 2.1 Principios básicos de la teledetección 2.1.1 Definición de teledetección La teledetección es la ciencia que engloba al conjunto de los conocimientos y técnicas utilizados para la obtención de información de objetos o fenómenos a distancia, sin entrar en contacto directo con ellos. No sólo trata de los procesos de adquisición de información, sino también de su posterior análisis desde una perspectiva de aplicación en particular. Las imágenes obtenidas a partir de plataformas espaciales constituyen una fuente muy importante de información sobre los recursos naturales y del ambiente. En efecto, las imágenes satelitales: i) proveen una visión sinóptica de grandes áreas de la superficie terrestre, lo que permite una mejor comprensión de la organización espacial; ii) permiten acceder a información que nuestra visión no capta, tal como las bandas del infrarrojo y iii) son menos costosas por unidad de superficie que las fotografías aéreas o la información tomada en el terreno. 2.1.2 Fundamentos de la percepción remota Para comprender qué información se recoge de los sensores remotos y cómo se extrae la misma, es necesario conocer los fundamentos de la percepción remota. Cuando el Sol ilumina la superficie de la Tierra, una parte de la energía incidente es reflejada, otra parte es transmitida y otra absorbida; de esta última proviene la energía emitida resultado de la ganancia de temperatura. La relación entre estos tres fenómenos se presenta en la figura 2.1. La proporción de energía asociada a cada uno de estos tres fenómenos se relaciona con las propiedades físicas de los objetos. Así, los sensores remotos registran la información sobre los objetos aprovechando el flujo de energía reflejada o emitida por ellos. Es decir, la información viaja de un punto a otro en forma de radiación electromagnética o, si se prefiere, en forma de ondas. Por este motivo, los sensores remotos han sido diseñados para detectar y registrar las distintas ondas. Introducción Página 3 FIGURA 2.1: FUNDAMENTOS DE LA PERCEPCIÓN REMOTA 2.1.3 El espectro electromagnético En Teledetección, las ondas se clasifican por su longitud. El agrupamiento del conjunto de ondas que se encuentran en la naturaleza con respeto a sus longitudes forman lo que se llama el “espectro electromagnético” (Figura 2.2). En Teledetección, las principales regiones del espectro electromagnético que se utilizan son el visible, el infrarrojo y las microondas. FIGURA 2.2: ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO R e fle ja d a E m itid a T ra n sm itid a A b so rb id a S a té lite µm Introducción Página 4 2.1.4 Firmas espectrales Tal como se describió anteriormente, los satélites miden la energía reflejada o emitida por los objetos de la superficie terrestre, según el poder de reflectividad y emisividad de cada uno, y también según la longitud de onda. Así, como los objetos reaccionan en forma diferente ante la energía solar recibida, cada objeto posee una reflectividad propia llamada “firma espectral”. La figura2.3 presenta las firmas espectrales de las tres coberturas principales de la superficie terrestre: vegetación, suelo y agua. Es el conocimiento de la reflectividad de cada objeto lo que hace posible su identificación a partir de las imágenes. El conocimiento de las firmas espectrales es fundamental en teledetección, no sólo para identificar los distintos objetos sino para elegir las bandas más apropiadas y el sensor más conveniente. Así, a partir de las firmas espectrales presentadas en la figura 2.3 se observa que las mejores bandas para discriminar las tres coberturas son, en orden de importancia, el Infrarrojo Cercano, el Infrarrojo Medio y el Rojo. Ello se debe a que existen grandes diferencias en la reflectividad de los tres elementos, lo que asegura su discriminación. En cuanto a las otras bandas, la diferencia no es muy significativa, lo que reduce considerablemente el potencial discriminatorio de éstas. FIGURA 2.3: FIRMAS ESPECTRALES TÍPICAS DE LA VEGETACIÓN, AGUA Y SUELO (ADAPTADO DE CHUVIECO 1996) VISIBLE IRC IRM R ef le ct iv id ad (% ) Longitud de onda (µm) suelo vegetación agua Introducción Página 5 De la comparación de las firmas espectrales con la configuración espectral de cada sensor se eligen las bandas más convenientes. La figura 2.4 presenta las bandas espectrales del satélite Landsat TM, superpuestas a las firmas espectrales de las tres coberturas. Se observa que la banda del infrarrojo cercano (TM4) es la banda que más posibilidades ofrece para discriminar las coberturas vegetales de las demás. También la banda del infrarrojo medio (TM5) ofrece una buena discriminación entre las distintas coberturas, aunque menos que la TM4. Finalmente, la banda correspondiente al rojo (TM3) permite una discriminación en menor grado que las TM4 y TM5. FIGURA 2.4: FIRMAS ESPECTRALES Y BANDAS ESPECTRALES DE LANDSAT TM Firma espectral de la vegetación La vegetación es un medio complejo que varía con el tiempo y por lo cual las propiedades espectrales cambian según la época del año y las fases de crecimiento. Se han realizado numerosos estudios sobre el comportamiento espectral de la vegetación según distintas escalas que, por orden de complejidad, son hoja, planta y cobertura vegetal. VISIBLE I R C I R M R ef le ct iv id ad (% ) 1 2 3 A V R 4 75 LANDSAT TM Longitud de onda (µm) suelo vegetación agua Introducción Página 6 A nivel de la hoja: La Figura 2.5 presenta el comportamiento de los tres mecanismos involucrados entre la radiación y una hoja. En la parte del visible son los pigmentos foliares como la clorofila, los responsables de la alta absorción de la radiación solar, la poca reflectividad en esta parte del espectro y la poca transmitividad, principalmente en el rojo. En la región del infrarrojo cercano (0,7 a 1,5 µm) se observa una alta reflectividad y transmitividad, producto de la estructura interna de las hojas; especialmente el mesófilo en empalizada. En cuanto al infrarrojo medio (1,5 µm a 3 µm), la respuesta espectral es gobernada por el contenido de agua, con una absorción máxima a 1,45 y 1,95 µm, lo que genera picos de reflectividad entre 1,65 y 2,20 µm. Estas propiedades varían según la especie, el estado de crecimiento y la geometría de la hoja, también debido a factores externos como estrés, deficiencia en agua, exceso de minerales, época de sequía o infecciones parasitarias. FIGURA 2.5: PROPIEDADES ÓPTICAS DE UNA HOJA EN FUNCIÓN DE LA LONGITUD DE ONDA (ADAPTADO DE BONN Y ROCHON 1992) A nivel de la planta o de una cobertura vegetal: En estos casos la firma espectral es mucho más compleja porque implica otros elementos tales como tronco, tallos, así como el sustrato. La situación se complica aún más cuando se consideran variaciones en tamaño, orientación y forma de las hojas, porcentaje de recubrimiento del suelo y reflectividad del mismo, además del estado de madurez, fenología, enfermedad o estrés de las plantas. Laenergía detectada por el sensor 0,500 1,5001,000 2,500 2,000 0 20 60 40 80 100 Transmitida Absorbida Reflejada R ef le ct iv id ad (% ) Longitud de onda 100 80 40 60 20 0 T ransm isividad (% ) Introducción Página 7 remoto es la suma de cada uno de estos componentes, lo cual modifica considerablemente la firma espectral, dificultando la interpretación. En la realidad, las situaciones complejas y variables en las cuales se encuentra la vegetación son tales que provocan que las firmas espectrales se presenten más en forma de ramo, tal como lo ilustra la figura 2.6. Esta situación trae como consecuencia la disminución de la nitidez entre las firmas espectrales de las distintas coberturas y la complicación en la interpretación. Es preciso destacar que esta aclaración es aplicable a todas las coberturas. FIGURA 2.6: FIRMAS ESPECTRALES REALES (ADAPTADO DE BONN Y ROCHON 1992) 2.1.5 Perturbaciones de la radiación electromagnética por la atmósfera Otro fenómeno a tomar en cuenta son las perturbaciones provocadas por la atmósfera. En efecto, entre la superficie terrestre y el sensor espacial se interpone la atmósfera, que interfiere modificando la señal de tres maneras: por absorción, por dispersión y por emisión. La presencia de la atmósfera limita las mediciones de ciertas bandas espectrales y, además, perturba la señal recibida por los sensores. VISIBLE IRC IRM R ef le ct iv id ad (% ) Longitud de onda (µm) vegetación agua suelo Introducción Página 8 La atmósfera esta constituida de gases, vapor de agua y partículas líquidas y/o sólidas (aerosoles, polvo, humo, polen, pequeñas gotas de agua, etc.). En particular, los gases influyen sobre la señal por ser los responsables de la absorción de la radiación en determinadas longitudes de onda, y como consecuencia, limitan la observación espacial de ciertas bandas del espectro electromagnético. Estas bandas casi transparentes de la atmósfera son llamadas "ventanas atmosféricas" (Tabla 2.1). TABLA 2.1: PRINCIPALES VENTANAS ATMOSFÉRICAS (FUENTE: BONN Y ROCHON 1992) Ventanas Atmosféricas Desde Hasta Ultravioleta y Visible 0,35 0,75 µm Infrarrojo Cercano (IRC) 0,77 1,0 1,19 0,91 1,12 1,34 µm µm µm Infrarrojo Medio (IRM) 1,55 2,05 1,75 2,4 µm µm Infrarrojo Térmico (IRT) 3,35 4,5 8,0 10,2 17,0 4,16 5,0 9,2 12,4 22,0 µm µm µm µm µm Hiperfrecuencia 2,06 3,0 7,5 2,22 3,75 11,5 mm mm mm 20,0 mm y más Por otra parte, las partículas en suspensión, los gases y el vapor de agua, provocan la dispersión de la radiación electromagnética, atenuando la señal recibida dado que adicionan radiación a la reflejada por la superficie terrestre, lo que se traduce en una disminución de los contrastes en la imagen. Este fenómeno genera algunos problemas en el análisis de los datos de teledetección, particularmente cuando los datos provienen de distintos lugares o corresponden a distinto tiempo de adquisición (series multi-temporales). En este caso, las correcciones son inevitables como para no atribuir cambios que, en realidad, se deben a cambios atmosféricos. También se deben tomar en cuenta en el uso del índice de vegetación, dado que la dispersión atmosférica varía según las bandas espectrales. Introducción Página 9 La emisión atmosférica es un fenómeno que afecta principalmente las medidas realizadas en la parte térmica del espectro, por lo que se deben tener en cuenta al utilizar el Infrarrojo Térmico. 2.2 Plataformas satelitales 2.2.1 Tipos de sensores remotos Los sensores remotos pueden clasificarse como pasivos o activos, según el tipo de fuente de energía electromagnética que utilicen (ver Figura 2.7). FIGURA 2.7: TIPOS DE SENSORES Los sensores pasivos miden la radiación electromagnética procedente de las coberturas terrestres, ya sea reflejada por los rayos solares o emitida a través de ondas termales. Operan gracias a una fuente externa de energía electromagnética. En esta categoría se incluye a los sensores electro-ópticos, es decir, los que miden el dominio óptico del espectro electromagnético, y que por lo tanto son dependientes de la energía solar. PASIVO Reflejada Emitida ACTIVO Introducción Página 10 Debido a esta particularidad operan únicamente de día, con excepción de aquellos sensores que captan radiaciones en el rango del infrarrojo térmico (ver Figura 2.6). En cuanto a los sensores activos, se caracterizan por su capacidad de emitir un haz energético que tras su reflexión sobre la superficie observada es captado y registrado por el mismo sistema. Este grupo incluye a los radares que operan en la región del espectro electromagnético de las microondas (entre 1 y 100 mm). Esta última característica hace que no sean afectados por condiciones atmosféricas que inciden en las ondas más cortas, pudiendo operar con nubes, niebla o bruma. Finalmente, como estos poseen su propia fuente de energía, pueden operar tanto de día como de noche. 2.2.2 Características de los sensores Los sensores poseen características propias que hacen que para una aplicación dada, alguno de ellos sea más apropiado que otros. Esas características pueden ser agrupadas en las denominadas resoluciones del sensor: espacial, espectral, radiométrica y temporal. Resolución espacial: hace referencia al objeto más pequeño que puede ser detectado por el sensor, es decir, equivalente al píxel (Figura 2.8). El tamaño del píxel varía según los sensores y tiene un rol muy importante en la interpretación, pues determina el nivel de detalle. Para el caso de los sensores utilizados en este inventario forestal, el tamaño del píxel es definido por el campo de visión instantáneo (sigla en inglés: IFOV) y la altura del sensor. Si se está mencionando el inventario forestal los sensores utilizados Resolución espectral: hace referencia al número y al ancho de las bandas espectrales que puede discriminar el sensor. A mayor cantidad de bandas y menor ancho de éstas, aumenta la resolución espectral. Resolución radiométrica: es la sensibilidad del sensor para detectar variaciones en la cantidad de energía espectral recibida. La sensibilidad se expresa en bits e indica el número de los distintos niveles radiométricos que puede detectar un sensor. Los sensores utilizados en el proyecto ofrecen una resolución radiométrica de 2 bits, lo que equivale a 28 = 256 niveles digitales (ND), es decir, valores que pueden variar entre 0-255. Introducción Página 11 Resolución temporal o periodicidad: es la frecuencia con la que el sensor adquiere imágenes de la misma porción de la superficie terrestre. El ciclo de cobertura está en función de las características orbitales de la plataforma, su velocidad, el ancho de barrido del sensor y las características de construcción del sistema. Un caso particular, por su diseño, es el sistema SPOT que, al tener una mira móvil, permite realizar observaciones laterales a la órbita por la cual se desplaza, aumentando con ello la resolución temporal. FIGURA 2.8: PÍXEL Y RESOLUCIÓN ESPACIAL El Landsat 5 TM En el marco del presente inventario se eligieron imágenes Landsat 5 TM “Thematic Mapper”, el Mapeador Temático o Cartógrafo Temático. Las principales razones que motivaron esta selección fueron: i) su resolución espectral y espacial, las cuales se adaptan al análisis de la vegetación y otras coberturas para la producción de mapas a escala 1:250.000, ii) cada escena cubre una superficie aproximada de 185 km x 185 km, lo que corresponde a más de 3,4 millones de hectáreas, esto significa que para cubrir las seis regiones forestales, se necesitaron 150 imágenes, y iii) permitenuna visión sinóptica del territorio con un buen nivel de detalle (resolución espacial de 30 x 30 metros). Escala Pequeña Escala Media Escala Grande Introducción Página 12 El SPOT 3 HRV El sensor HRV de alta resolución del satélite SPOT fue utilizado en la región de los Bosques Andino Patagónicos, específicamente en la provincia de Tierra del Fuego, debido a la carencia de datos LANDSAT TM sin nubosidad. El sensor HRV posee una mayor resolución espacial que el TM, lo que permite agregar otros aspectos espaciales a la interpretación visual, ya que se mejora la detección de formas del terreno y la infraestructura en general. Se han utilizado las bandas del denominado modo multiespectral (XS), con el objeto de aprovechar el canal infrarrojo (XS3). Aunque con menor cobertura de terreno que el Landsat TM (60 km x 60 km), aún se trata de grandes áreas y se mantienen en forma relativa la capacidad de visión sinóptica. SPOT posee la capacidad de visión oblicua de los instrumentos HRV, lo que asegura una gran repetitividad de las observaciones y permite también obtener productos que posibilitan la visión estereoscópica. Esta última capacidad, como así también las imágenes pancromáticas del otro sensor a bordo del SPOT (HRG: alta resolución geométrica), no han sido utilizadas en el presente inventario. TABLA 2.2: CARACTERÍSTICAS DE LAS IMÁGENES SATELITALES LANDSAT 5 TM Y SPOT 3 HRV (FUENTES: CONAE 2004, SPOTIMAGE 2004) Siglas: IRC: infrarrojo cercano, IRM: infrarrojo medio; IRT: infrarrojo térmico LANDSAT 5 TM SPOT 3 HRV Dimensiones de la Escena 185 km x 185 km 60 km x 60 km Resolución Espacial 30 m x 30 m 20 m x 20 m (multiespectral XS) 10 m x 10 m (pancromático P) Resolución Temporal 16 días Variable entre 2 y 26 días, según la latitud Resolución Espectral (µm) TM1: 0,45 – 0,52 (Azul) TM2: 0,52 – 0,60 (Verde) TM3: 0,63 – 0,69 (Rojo) TM4: 0,76 – 0,90 (IRC) TM5: 1,55 – 1,75 (IRM) TM7: 2,10 – 2,35 (IRM) TM6: 10,10 – 12,5 (IRT) XS1: 0,50 – 0,59 (Verde) XS2: 0,61 – 0,68 (Rojo) XS3: 0,79 – 0,89 (IRC) Introducción Página 13 2.3 Preprocesamiento y procedimientos de extracción de información de datos satelitales Todo estudio de teledetección a partir de imágenes satelitales con el objetivo de extraer información, e implica generalmente la ejecución de las siguientes operaciones: • Selección y fecha de toma de las imágenes • Preprocesamiento: correcciones radiométricas y geométricas • Procesamiento: realce de imágenes, transformaciones especiales, clasificaciones, etc. • Análisis de exactitud 2.3.1 Selección y fecha de toma de las imágenes La selección de las imágenes hace referencia inicialmente al sensor, es decir, cuál es el instrumento más apropiado para el estudio. En cuanto a la fecha de adquisición de las imágenes, se refiere a la época óptima de toma de las mismas, puesto que la elección de imágenes con fechas no adecuadas podría resultar de poca utilidad. Sólo un buen conocimiento de la zona de estudio, en términos de las distintas coberturas que la componen y las proporciones relativas de cada una, permiten contestar adecuadamente a esa pregunta. En general, en los estudios de vegetación se privilegian imágenes con fecha de toma de verano, época en la cual las especies están en su fase fenológica de foliación. Pero esta regla no es siempre aplicable. En zonas de estepa, por ejemplo, el estrato arbóreo podría estar parcialmente enmascarado por los estratos subyacentes, si estos están compuestos de herbáceas, las cuales, al igual que los árboles, están en su época de máxima reflexión. En paisajes fragmentados y en dependencia del tamaño de los fragmentos, las coberturas vecinas pueden enmascarar la definición de los bordes de las unidades a cartografiar. Por este motivo, es imprescindible obtener información sobre la fisonomía y la fenología de las especies y sobre las características generales y particulares del área de interés. 2.3.2 Preprocesamiento Como se ha visto anteriormente, las imágenes satelitales presentan alteraciones radiométricas y geométricas. Por ese motivo, es necesario realizar preprocesamiento o “tratamientos preliminares”, con el fin de eliminar o reducir el “ruido” contenido en ellas y facilitar así la extracción de la información en la etapa siguiente. Introducción Página 14 Se designan como "correcciones" a aquellos procesos que tienden a eliminar anomalías detectadas en las imágenes, ya sean referidas a los valores digitales de los píxeles o a su localización. 2.3.2.1 Correcciones radiométricas Se entienden como correcciones radiométricas a todas las operaciones que tienden a modificar los valores de los niveles digitales (ND) originales. Este concepto incluye correcciones por problemas generados a causa del mal funcionamiento del sensor, lo que puede provocar pérdida de líneas, píxeles o bandeo (banding) en las imágenes, como sucede frecuentemente con los canales 1 (azul) y 2 (verde) de Landsat TM. También es importante mencionar las correcciones atmosféricas, procedimientos orientados a la eliminación de las alteraciones de la radiancia inducida por la presencia de la atmósfera entre la superficie observada y el sensor. La interacción que produce la atmósfera, es debido a su composición química y los aerosoles siendo los principales fenómenos físicos la absorción y la dispersión. 2.3.2.2 Correcciones geométricas Las imágenes presentan distorsiones en su geometría provenientes de distinto origen que pueden ser clasificadas en tres tipos: i) distorsiones causadas por la superficie terrestre (curvatura de la tierra, variación de altura, etc.); ii) distorsiones ligadas al sensor; y iii) distorsiones resultantes del movimiento de la plataforma. Las correcciones geométricas, además de eliminar las distorsiones mencionadas anteriormente, permiten representar la imagen en una proyección cartográfica determinada que posibilita identificar la posición de diversos puntos o áreas de interés. En la Figura 2.9 se observan diversas transformaciones geométricas que puede experimentar una imágen digital. Es conveniente definir adecuadamente los siguientes términos para no caer en confusiones, ya sea cuando se analizan las referencias de un determinado material, al utilizar un software Introducción Página 15 determinado, o al leer e interpretar los manuales correspondientes; ERDAS (1990) define en su glosario: Rectificación: es el proceso de reproyectar los datos de la imagen a un plano, conforme a un sistema de proyección determinado. En muchos casos, la imagen debe ser orientada con la dirección norte correspondiente a la parte superior de la imagen. Remuestreo: es el proceso de extrapolación de los valores sobre una nueva grilla a partir de los valores de píxeles de la imagen original. En el proceso de rectificación la matriz numérica correspondiente a la imagen original es proyectada a una nueva matriz o grilla. En este proceso se establece el tamaño de la grilla de salida, o sea el tamaño del pixel resultante del remuestreo. Registración: es el proceso de ajustar la geometría de una imagen conforme a otra; el proceso no implica necesariamente la utilización de un sistema de coordenadas determinado. Esto se realiza cuando se deben utilizar imágenes de diferentes fechas o de diferentes característica (Landsat MSS, Landsat TM, SPOT XS o SPOT P), particularmente para estudios multitemporales. Con ello es posible utilizar imágenes diversas dentro de una misma investigación. Georreferenciación: es el proceso de asignar coordenadas de mapa a una imagen. La imagen original no necesariamente debe ser rectificada, ya que ésta puede haber sido ya proyectada en el plano deseado, pero carecer de las coordenadas cartográficasnecesarias. La rectificación, por definición, implica georreferenciación, ya que todo sistema de proyección está ligado a algún tipo de coordenadas. El registro de una imagen a otra comprende la georreferenciación, únicamente si la imagen de referencia está rectificada, o sea que ya tiene coordenadas de mapa. Introducción Página 16 FIGURA 2.9. DIVERSAS TRANSFORMACIONES GEOMÉTRICAS QUE PUEDE EXPERIMENTAR UNA IMÁGEN DIGITAL Métodos para la corrección de las distorsiones Existen dos métodos para corregir la geometría de las imágenes. El primero utiliza modelos matemáticos basados en el conocimiento preciso de los parámetros al momento de la toma de datos. Este método, también denominado “corrección orbital”, pretende modelar aquellas fuentes de errores geométricos conocidos, y para ello necesita disponer de las características orbitales de la plataforma. Este tipo de corrección es generalmente realizado por las empresas proveedoras de imágenes satelitales, tal como la CONAE (Comisión Nacional de Actividades Espaciales), quienes aplican estas correcciones antes de entregar las imágenes a los usuarios. El segundo método, conceptualmente más simple y por ese motivo de uso más generalizado, trata de modelar el error geométrico de la imagen a partir de una serie de puntos de control y ha sido el método utilizado en este Inventario Forestal de Bosques Nativos. La ventaja de este método es que no requiere conocimiento a priori de las relaciones complejas del sistema de adquisición, las relaciones con el terreno, la plataforma y el sensor. Requiere de numerosos puntos de control (más de seis) y es aplicable a una sola escena y debe realizarse el mismo proceso por cada una de las escenas a tratar. Traslación Cambios de Escala Inclinación Perspectiva Rotación Introducción Página 17 Utilidad de las correcciones geométricas Existen diversos casos en los cuales es necesario ajustar una imagen a una proyección cartográfica; por ejemplo: i) en el caso que sea necesario medir parcelas en una determinada ubicación para asociar los parámetros de la masa forestal con los niveles digitales de la imagen o parámetros de clasificación digital o visual; ii) cuando es necesario determinar la posición de puntos para comprobar el nivel de exactitud de un mapa producido por clasificación de datos digitales o del proceso mismo de corrección geométrica. En todos los casos, será necesario llegar hasta los puntos a estudiar en el terreno, y que las imágenes sean georreferenciadas. El establecimiento de una base de datos espaciales, ya sea basado en datos extraídos desde fotografías aéreas o imágenes satelitales, requiere que estén estandarizados en un aspecto fundamental: sus coordenadas. Sin este requisito, no será posible realizar comparaciones entre los diversos componentes de la base de datos. Las imágenes georreferenciadas permitirán realizar: - Elaboración de mosaicos - Complementar datos de formatos raster y vectorial (interpretación) - Determinación precisa de áreas control - Elaboración de cartografía con escalas precisas - Desarrollo de bases de datos georreferenciados para los SIG 2.3.3 Procesamiento Por lo general, las imágenes satelitales en sus formatos de distribución presentan muy poco contraste. Esta característica se ilustra en la figura 2.10 donde se presentan las bandas originales de una imagen Landsat TM. Para agilizar la tarea del intérprete y mejorar su eficiencia, existen técnicas que tienen como objetivo transformar los datos y poner en evidencia los fenómenos u objetos de interés. Introducción Página 18 FIGURA 2.10: BANDAS ORIGINALES (TM1, TM2, TM3, TM4, TM5 Y TM7) Las técnicas para mejorar la calidad de las imágenes utilizadas en este inventario son: el ajuste del contraste y la creación de imágenes en composiciones de color. - Ajuste del contraste: esta técnica consiste en aplicar una transformación lineal o no lineal, de manera que los ND ocupen con más eficiencia la amplitud de los niveles de gris disponibles, dado que la mayoría de los ND originales ocupan un rango muy estrecho, a menudo mucho más estrecho que la capacidad de los sistemas de análisis. Con esta técnica se aumenta el contraste radiométrico al utilizar el todo el rango disponible (8 bits = 256 ND). El resultado de este proceso produce una tabla llamada “tabla de conversión”, donde a cada ND original le corresponde un ND de visualización. En la Figura 2.11 se observa la imagen original y la imagen realzada. TM 1 TM 2 TM 3 TM 4 TM 5 TM 7 Introducción Página 19 FIGURA 2.11: IMAGEN ORIGINAL (DERECHA) Y REALZADA (IZQUIERDA) - Composiciones de color: es la combinación de bandas espectrales en los tres colores primarios (rojo, verde y azul). Las composiciones más habituales son las del tipo falso color, resultado de aplicar los cañones rojo, verde y azul de un monitor de computadora sobre alguna o algunas bandas de la imagen evitando asignar las tres bandas análogas a los colores de los cañones que darían como resultado un composición color verdadero. En este inventario en particular, se seleccionó la banda del infrarrojo cercano para asignarla al cañón rojo, la del infrarrojo medio para el verde y la banda del rojo para el azul. 2.3.4 Extracción de la información La extracción de información de las imágenes se realiza por método visual o por procesos automatizados (clasificación), los cuales tienen como objetivo la producción de un mapa temático, es decir, un mapa donde las medidas iniciales han sido reemplazadas por códigos que pueden representar ahora diversas coberturas y usos de la tierra, como resultado de la interpretación y la caracterización de los distintos objetos. La interpretación visual se basa en el conocimiento del intérprete, mientras que los procesos de clasificación automática se apoyan sobre algoritmos matemáticos para automatizar los 4 5 3 4 5 3 Introducción Página 20 procesos. La elección de un método u otro no resulta tan sencilla pues deben tomarse en cuenta el objetivo del proyecto, los recursos humanos y económicos disponibles y la complejidad del tema a estudiar. 2.3.4.1 Interpretación visual La interpretación visual se apoya principalmente en el conocimiento del intérprete. La principal ventaja de este método es que durante la interpretación se pueden incorporar criterios complejos como texturas, estructuras, emplazamiento o disposición, formas, tamaño y la experiencia del intérprete. Por consiguiente, se aplican técnicas de realce con el propósito de obtener imágenes con la mejor calidad posible para facilitar la tarea del intérprete. Es preciso destacar que como se trabaja en un entorno digital, la interpretación visual no se realiza sobre transparentes superpuestos a imágenes impresas. Con el desarrollo del SIG (Sistema de Información Geográfica), la interpretación se realiza directamente en la pantalla, donde además de mejorar visualmente las imágenes y analizarlas a diversas escalas, también es posible agregar datos complementarios de otro tipo. 2.3.4.2 Clasificación digital La clasificación automática es el proceso de ordenamiento de los píxeles en un número finito de clases o categorías, basándose en los valores de ND. Este método se apoya casi exclusivamente sobre la intensidad radiométrica de cada píxel. El establecimiento de las clases o categorías puede obtenerse de dos maneras. En la primera, se posee conocimiento a priori de los objetos contenidos en la imagen y solo es necesario indicárselo al sistema para su aprendizaje. Este método se llama clasificación supervisada o dirigida y genera clases de información previamente indicadas al sistema. En la segunda,no se transmite información a priori al sistema; los píxeles son agrupados sobre la base de sus similitudes espectrales, es decir, se conforman clases espectrales. Este método denominado clasificación no supervisada se usa cuando se tiene poco conocimiento acerca de los objetos de una imagen y es útil en métodos exploratorios y en clasificaciones muy generalizadas. Introducción Página 21 2.3.5 Evaluación de exactitud Todo mapa temático, ya sea producido por clasificación automática o por interpretación visual, es un mapa donde el territorio se encuentra dividido en unidades correspondientes a la leyenda adoptada. Estos mapas deben ajustarse lo más posible a la realidad que representan. Uno de los métodos más eficientes para evaluar la exactitud de un mapa es la matriz de error, también llamada matriz de confusión (Tabla 2.3). La matriz de error corresponde a una planilla de a doble entrada donde en las filas aparecen las clases del mapa a verificar y en las columnas, las clases de referencia. Esta matriz tiene por ventaja que ofrece una apreciación global de la precisión de un mapa, además de indicar en detalle las clases que presentan confusiones. TABLA2.3: EJEMPLO DE MATRIZ DE ERROR DE LA REGIÓN SELVA MISIONERA La elaboración de la matriz de error es una etapa posterior a la elaboración del mapa temático y necesita información de referencia de buena calidad. Los datos de referencias pueden ser mapas temáticos existentes, fotografías aéreas u otros datos de inventarios. Por lo general, las principales limitaciones al uso de datos existentes son la compatibilidad de la leyenda utilizada con los antecedentes y el detalle de la metodología que se utilizó para producir el mapa. De esta manera, en la mayoría de los casos la mejor solución consiste en obtener datos de referencias propias. Introducción Página 22 Muestreo para la verificación El diseño del muestreo para la verificación del mapa forestal podrá ser de tipo sistemático alineado o de tipo aleatorio estratificado, dependiendo de las características de las distintas regiones forestales. La elección de uno o del otro es dictada por las siguientes consideraciones: • La superficie de la región • La información disponible • Los datos obtenidos durante las verificaciones de campo iniciales • La complejidad de los bosques inventariables tal como son definidos en la leyenda, así como la de la región forestal en general • La accesibilidad de la región y principalmente la superficie inventariable Tomando en consideración el carácter único de cada región, se muestra en Anexo I la metodología utilizada para el análisis de exactitud del mapa forestal de las regiones donde se realizó este procedimiento (en Anexos). Fase de teledetección y su relación con los recursos forestales 23Página 3. FASE DE TELEDETECCIÓN Y SU RELACIÓN CON LOS RECURSOS FORESTALES 3.1 Los inventarios forestales Durante el desarrollo de las ciencias forestales los inventarios han sido una de las áreas de principal interés, debido fundamentalmente a las implicancias económicas derivadas del conocimiento de las existencias de los bosques. Esto ha servido para el desarrollo de metodologías en diversos niveles de aplicación o detalle; desde los inventarios nacionales hasta el nivel de rodales. En general, y sin importar el nivel de estudio, los inventarios consideraban en forma casi exclusiva aspectos relativos a la estimación de existencias madereras. “Desde las primeras definiciones de los inventarios forestales, se atribuye a éstos la tarea de recopilar, preparar y describir de forma confiable la información sobre los bosques en un concepto estrictamente cuantitativo y exclusivamente desde la cantidad y calidad de la madera de las formaciones analizadas. De esta manera, las principales variables consideradas en los inventarios consistieron básicamente en: volumen por especies, volumen por clases de edad, calidades y tamaño de las maderas, mortalidad y otros aspectos que hacen a la aplicación en la silvicultura y al manejo de los bosques” (Molina 1991). De acuerdo con lo citado en el párrafo anterior, los inventarios forestales abarcan diversas áreas del conocimiento, algunas estrictamente forestales y otras compartidas con especialidades, como la Teledetección y los Sistemas de Información Geográfica (SIG) (Figura 3.1). Otra definición, aunque desde una perspectiva ligada más a la evaluación de existencias maderables, indica que: “inventario forestal es la adquisición de información actual, pertinente a los recursos forestales y su ambiente físico, en un tiempo determinado, a un costo razonable en concordancia con los objetivos, comprendiendo también el procesamiento de tal información” (Akça 1997). Fase de teledetección y su relación con los recursos forestales 24Página FIGURA 3.1. ÁREAS QUE INTERVIENEN EN LA EJECUCIÓN Y USO DE LOS RESULTADOS DE LOS INVENTARIOS FORESTALES Los inventarios forestales pueden ser clasificados de la siguiente manera: - Por la superficie que cubren: nacionales, regionales, provinciales, a nivel de grandes empresas, a nivel de rodales. - Por las decisiones que permitirán tomar: estratégicas, tácticas u operacionales. En todos los casos aumenta la demanda de información del primer al último nivel y, por la misma razón, tienden a aumentar los costos por unidad de superficie. La visión sistémica del ambiente y la creciente preocupación por el uso sustentable de los recursos naturales, han llevado a los actuales inventarios forestales a integrar otros criterios en el estudio de los bosques. Se puede entonces hablar de “inventarios de recursos forestales” o de “inventarios integrados de recursos forestales” como lo propone Akça (op. cit.). Preto (1993) aporta el concepto “multi”, indicando la conveniencia de levantamientos multi- recursos, multi-espaciales y multi-temporales, integrando en ellos a los inventarios forestales. 3.2 Niveles de los inventarios forestales Un aspecto de gran importancia, relacionado con el Primer Inventario Nacional de Bosques Nativos, es la posibilidad de integración de los diversos niveles de los inventarios. Esta característica permite optimizar los inventarios a través de la articulación entre diferentes Dasometría Biometría y estadística Teledetección SIG Ordenación forestal Política forestal Protección forestal Industria forestal Inventario Forestal Fase de teledetección y su relación con los recursos forestales 25Página escalas de percepción y niveles del inventario; esto permite no solo optimizar la planificación y el uso de los recursos invertidos, sino que permitirá en el futuro mejorar el inventario. Un ejemplo concreto de la integración de niveles puede entenderse a partir de la estructuración de los estratos o clases de bosques que integran la cartografía que se produce en los inventarios forestales. De la estructura jerárquica de los estratos surge su posible utilización en diferentes escalas de percepción; de esta manera, un estrato a nivel detallado se ubicará en una clase más amplia en un inventario a nivel regional, nacional, continental o global. En la figura 3.2 se observa que el estrato D a nivel de un inventario de rodales, forma parte del estrato C de un inventario provincial y del estrato A al nivel regional. FIGURA 3.2. RELACIÓN ENTRE LOS ESTRATOS DE INVENTARIOS FORESTALES DE DIFERENTES NIVELES (ADAPTADO DE AKÇA 1997) Un aspecto de gran importancia es la información que un inventario forestal puede producir, lo cual está directamente relacionado con el nivel de detalle del estudio y éste, con las exigencias del conocimiento de tal o cual variable, con un error admisible previamente definido. Una visión sistémicadel ambiente y la creciente preocupación por el uso sustentable de los recursos naturales, han llevado a los actuales inventarios forestales a integrar otros criterios en el estudio de los bosques. Dentro de los “inventarios integrados de recursos forestales” Fase de teledetección y su relación con los recursos forestales 26Página propuestos por Akça (op. cit.), deberían documentarse y analizarse informaciones ligadas a aspectos como: recreación, interés turístico, suelos y sus capacidades de uso, biodiversidad, protección de la naturaleza, impacto de la deforestación, entre otras variables posibles (Tabla 3.1). TABLA 3.1. IMPORTANCIA RELATIVA DE DIVERSAS VARIABLES EN LOS INVENTARIOS FORESTALES (MODIFICADO DE AKÇA 1997) *: muy importante, **: importancia media, ***: pequeña importancia (puede ser eliminada) Debido a que los niveles de estudio definen las variables que deberían ser consideradas, éstas tienen directa relación con el tipo de instrumentos que se utilizan mediante la teledetección para captar información sobre el territorio y, específicamente, sobre los bosques. Una visión resumida de este concepto se observa en la figura 3.3, donde se presenta la relación entre los niveles y los tipos de sensores. Tipo de inventario Su pe rf ci es To po gr af ía R ég im en d e te ne nc ia d e la tie rr a A cc es ib ili da d/ In fr ae st ru ct ur a vi al V ol um en , o tro s pa rá m et ro s Es tim ac ió n de l cr ec im ie nt o Es tim ac ió n de la s e xt ra cc io ne s de m ad er a R ec re ac ió n, hi dr ol og ía , fa un a D añ os , e st ad o fit os an ita rio Nacional * ** ** ** ** ** ** ** ** Regional ** *** */** ** ** ** ** ** ** Reconocimiento ** *** *** **/*** **/*** *** *** ** *** Factibilidad de industrias ** ** * * * * * ** ** Grandes empresas ** *** *** ** ** ** */*** */** */** Aprovechamiento ** * *** * * *** *** *** *** De rodales * *** ** * * * */** */** Usos de la tierra * * * * ** ** *** * * Recreación ** ** * * *** *** *** * * Fase de teledetección y su relación con los recursos forestales 27Página FIGURA 3.3. RELACIÓN ENTRE LA TELEDETECCIÓN Y LOS NIVELES DE LOS INVENTARIOS FORESTALES (ADAPTADO DE HOCEVAR ET AL. 1996) 3.3 La teledetección aplicada a los inventarios forestales En los países europeos se han desarrollado diversas técnicas de inventarios desde principios de 1900, especialmente en niveles detallados y a partir del uso de fotografías aéreas, favorecidos por la existencia de detalladas bases cartográficas. En contraposición, países de gran extensión como Estados Unidos y Canadá, sin cartografía al nivel de detalle, prefirieron los levantamientos más expeditivos mediante técnicas de muestreo en unidades de mayor tamaño (Preto 1992). Uno de los primeros grandes avances en los inventarios forestales fueron las experiencias desarrolladas por Hugershoff (1933) y Neumann (1933), quienes a partir de fotografías aéreas determinaban el perfil de alturas de rodales; tales mediciones permitían luego la estimación de volúmenes. El uso de las fotografías aéreas en la estimación de existencias forestales se incrementa a partir de la elaboración de las primeras tablas aéreas de volumen (Gingrich y Meyer 1955, Moessner 1960). Posteriormente, mediante instrumentos Fase de teledetección y su relación con los recursos forestales 28Página fotogramétricos sencillos, autores como Schultz (1970) y Akça et al. (1971) realizaron investigaciones sobre los errores de las estimaciones aéreas de los parámetros del bosque, estudios básicos para comprobar las posibilidades de aplicaciones en los inventarios forestales. El desarrollo posterior de la fotogrametría permitió un gran avance en las estimaciones de variables forestales; en Europa, Stellingwerf (1973), Akça (1984), De Gier (1989) llegaron a determinar mediante métodos de muestreo y fotografías aéreas de diversos períodos, el crecimiento de rodales a partir de las proyecciones de copa. Estas experiencias sirvieron para establecer un principio muy importante, el de las “parcelas aéreas permanentes de muestreo” (Akça 1989); una forma de mejorar las estimaciones de parámetros de los bosques y que permite el monitoreo de los estados y dinámica. Las fotografías aéreas han sido utilizadas desde el inicio de su aplicación en inventarios forestales como elementos de orientación en el terreno, de análisis preliminar de las masas forestales para su posterior estratificación y, para el establecimiento de parcelas de muestreo. En países como Alemania se utilizan en la actualidad para caracterizar y determinar la posición de las parcelas de inventario; o como en Francia, donde se hace un uso intensivo para la determinación de tipos de bosques y la estimación de parámetros forestales. La fotogrametría digital, los entornos informáticos de alta tecnología y los ambientes de trabajo en 3D, favorecieron enormemente el desarrollo de las mediciones aplicadas a los inventarios, aunque por el momento sólo en forma experimental o en aplicaciones restringidas a áreas especiales. En lo referente a las imágenes orbitales, se inició una nueva etapa a comienzos de la década de los años 70, cuando el programa Landsat proporcionó las primeras imágenes satelitales aplicables a estudios de los recursos naturales. Los forestales aprovecharon este avance y comenzaron a utilizar estos datos en inventarios de grandes áreas. Una de estas primeras aplicaciones, utilizando imágenes Landsat 1 MSS, se realizó en los EEUU por Titus et al. (1975), empleando técnicas analógicas y digitales para interpretación y la producción de mapas, apoyados con fotografías aéreas, en un esquema de muestreo con varios niveles. Schade (1980) diseñó un sistema de muestreo en varias fases para bosques de Alemania, esta Fase de teledetección y su relación con los recursos forestales 29Página vez, basado en la interpretación visual de datos Landsat 2 MSS, apoyados en fotografías aéreas y mediciones terrestres, completando los diferentes niveles de detalle del estudio. Terminado el período de vida de los satélites Landsat 1, 2 y 3, el nuevo instrumento TM (Mapeador Temático o Cartógrafo Temático) montado en los Landsat 4 y 5 pasó a ser uno de los más utilizados hasta la fecha. Tomppo (1991) describe el uso combinado de datos Landsat TM y SPOT en el inventario forestal nacional de Finlandia, uno de los países más desarrollados en este tema. En la Argentina, y en el ámbito de los bosques nativos, se realizaron diversos levantamientos forestales apoyados inicialmente en el uso de fotografías aéreas, siendo el más destacado por su extensión, el realizado por la FAO (1977) en la región noroeste del país. Más tarde, con el surgimiento de las imágenes satelitales, Gustin et al. (1979) realizaron el inventario forestal de la Provincia del Chaco, apoyándose en imágenes Landsat MSS. Posteriormente y mediante la interpretación visual de imágenes Landsat MSS, el IFONA (1984, 1986) elabora pre-cartas forestales de diversas provincias argentinas. Con nuevos sensores como el Landsat TM se estimaron superficies de bosque nativo e implantado, como así también otras coberturas y usos de la tierra de la Provincia de Tucumán (CFI 1992). Thren y Zerda (1994), utilizando datos digitales Landsat TM, apoyaron la planificación general y la estimación de superficies y existencias preliminares de bosques chaqueños. En los últimos años se han incrementado las investigaciones basadas en el uso de otros sensores y con diferentes objetivos para mejorar los métodos de clasificación digital de la Selva Misionera (Perucca y Ligier 2000); para evaluar los bosques chaqueños y los diversos procesos de degradación en la región (Cuello et al. 2000, Zerda y Moreira 2001,Zerda y Moreira 2004, Montenegro et al. 2003);en la región andino patagónica argentina, Lencinas (2001) investigó las relaciones entre existencias maderables y diversas transformaciones de datos SPOT-4, dejando planteados métodos para futuras investigaciones y aplicaciones. En países tropicales las imágenes obtenidas por sensores pasivos como los instalados en los satélites Landsat, SPOT o IRS, no permiten registrar las áreas boscosas cubiertas frecuentemente por nubes. En estos casos es de suma utilidad el uso de imágenes provenientes de sensores activos de microondas, el radar, que permite registrar la cobertura forestal sin la interferencia de las nubes. En Latinoamérica (Brasil, Colombia y Venezuela), durante los años 80 se realizaron levantamientos forestales mediante imágenes de radar aerotransportado. Posteriormente, el mejoramiento de estos instrumentos permitió que puedan ser instalados en Fase de teledetección y su relación con los recursos forestales 30Página plataformas satelitales, incrementando de esta manera las capacidades de uso. En otras regiones, como en Finlandia, se desarrollaron experiencias en el inventario forestal nacional con el fin de hacer operativo el uso de imágenes de radar en la estimación de parámetros de las masas boscosas. No obstante el avance en las capacidades de detección de objetos cada vez más pequeños, se utilizan también imágenes con resolución espacial del orden de 1 km x 1 km, debido a las grandes superficies que abarcan y al corto tiempo que media entre una imagen y la siguiente. Gaston et al. (1994), basado en imágenes del sensor AVHRR (instrumento del satélite meteorológico NOAA) realizó el relevamiento completo de la ex Unión Soviética, elaborando un mapa con 42 clases de vegetación. Del mismo modo, Zhu y Evans (1994) elaboraron mapas forestales de los EEUU, permitiendo obtener estimaciones de las superficies forestales. Posteriormente, y en una escala de percepción espacial similar, se desarrollan nuevos instrumentos como el VEGETATION, diseñado especialmente para el monitoreo de coberturas vegetales e instalado inicialmente en el satélite SPOT 4. Actualmente, sistemas satelitales como IKONOS, con resoluciones espaciales de hasta 1 m x 1 m, permiten la detección de árboles individuales e inclusive la visión estereoscópica, lo que abre un nuevo campo de desarrollo para los inventarios forestales. En la tabla 3.2 se presenta un resumen de los principales sensores satelitales disponibles para la realización de inventarios forestales y sus principales características. En la Tabla 3.3 se indican algunos países que realizaron inventarios forestales nacionales mediante teledetección, indicándose también algunas de sus principales características. Es importante agregar que la aparición de los sistemas de posicionamiento global (GPS) permitió mejorar el conocimiento sobre la posición de las parcelas de inventario; siendo también de gran utilidad para georreferenciar las imágenes satelitales en regiones con deficiente cartografía base, lo cual resulta indispensable para la planificación general de los inventarios y la elaboración de cartografía. Fase de teledetección y su relación con los recursos forestales 31Página TABLA 3.2. DIVERSOS PROGRAMAS Y SENSORES SATELITALES DISPONIBLES PARA LOS INVENTARIOS FORESTALES (MODIFICADO DE CZAPLEWSKI 1998) Resolución y cobertura Programas espaciales/satélites y sensores Bandas espectrales Píxel Ancho de registro AVHRR 4 1.100 m 2.600 km OrbView-2 SeaWiFS 8 1.100 m 2.800 km SPOT4 Vegetation 4 1.000 m 2.000 km MODIS 27 1.000 m 7 500 m Sensores satelitales de baja resolución espacial, coberturas de grandes áreas Espectrómetro de resolución moderada 2 250 m 1.150 km Termal 120 m Landsat 5 6 30 m Termal 60 m 6 30 m Landsat 7 Pancromático 15 m 185 km 4 20 m SPOT 4 Pancromático 10 m 4 10 m SPOT 5 Pancromático (5 m) 60 km Pancromático 6 m 70 km Indian Remote Sensing (IRS) Multiespectral 23-188 m 141-810 km Radarsat 2 - 3-100 m 20-500 km Sensores satelitales de resolución espacial media, cobertura de áreas medianas TK-350 Pancromático N/A 200 km SOVINFORM-SPUTNIK Spin-2 KVR-1000 Pancromático N/A 40 km Space Imaging EOSAT 4 4 m Ikonos 1 Pancromático 1 m 11 km 3 15 m 30 km EarthWatch-Earlybird Pancromático 3 m 6 km 4 4 m 16,5 km EarthWatch-Quickbird Pancromático 1 m 16,5 km 4 4 m 8 km 2 m Sensores satelitales de alta resolución espacial, cobertura de pequeñas áreas OrbView-3 Pancromático 1 m 4 km Fase de teledetección y su relación con los recursos forestales 32Página TABLA 3.3. INVENTARIOS FORESTALES NACIONALES CON COMPONENTES DE TELEDETECCIÓN País Primer IFN Teledetección (actual) Inventario terrestre Particularidades Finlandia 1921-24 Fotografías aéreas desde los años 50, intensivo desde los 70. Uso de imágenes satelitales Parcelas permanentes, estimaciones de incrementos Primer IFN publicado en 1927. Investigaciones avanzadas para la integración de datos de radar y sensores hiperespectrales Suecia 1923-29 En desarrollo, métodos combinando imágenes satelitales y mediciones terrestres Parcelas permanentes (primer país nórdico en utilizarlas, desde 1983), estimaciones de incrementos Desde 1996 todas las parcelas son ubicadas mediante GPS Alemania 1986-89 Fotografías aéreas Parcelas permanentes Muestreo adecuado a cada estado federal Austria 1961-1970 En desarrollo, métodos basados en el uso de imágenes satelitales Aproximadamente 11.000 parcelas permanentes Continuo, ciclos de 5 años. Estratos según estados, manejo y régimen de tenencia. Sistema de monitoreo de daños Francia 1960 Fotografías aéreas, uso intensivo Aproximadamente 1.500 parcelas por Departamento Estratos según Departamentos y regiones forestales. Estimaciones mediante fotografías aéreas España 1965-1974 Fotografías aéreas Parcelas permanentes Continuo, ciclo de 10 años. Canadá 1981 Fotografías aéreas Parcelas permanentes Estimaciones mediante fotografías aéreas. Cambios en las especificaciones del último inventario (2001) EEUU Fotografías aéreas e imágenes satelitales. Gran desarrollo de investigaciones para la integración de datos de diversos sensores remotos Parcelas permanentes 120.000 unidades de muestreo. Inspección anual de parcelas especiales México 1961-85 En el año 2000, mediante imágenes satelitales, control con fotografías aéreas digitales Parcelas 20.000 parcelas de muestreo. Inventario periódico (cada 10 años desde el 2000). Argentina 1998 Imágenes satelitales Solo en las regiones más importantes Muestreo de regiones fitogeográficas. Integrado al sistema de clasificación del FRA2000 (FAO) Tal como sucediera desde el inicio de la aplicación de la fotogrametría en los inventarios forestales, actualmente una importante línea de desarrollo en teledetección es la investigación sobre modelos de regresión, los cuales se aplican para encontrar las mejores relaciones entre las variables del bosque, estimadas a partir de las mediciones realizadas por los sensores remotos y las realizadas en el terreno. En esta temática, Stellingwerf y Hussin (1997) elaboraron una completa revisión sobre la historia y desarrollo de estos tipos de estimaciones; Gholz et al. (1997) compilaron una serie de avances en metodologías sobre modelos de Fase de teledetección y su relación con los recursos forestales 33Página productividad de los bosques para diversas escalas de aplicación y tipos de sensores; por otra parte, Nilsson (1997) desarrolló métodos y propuso aplicaciones para estimar parámetros forestales a partir de los nuevos instrumentos que utilizan de impulsos láser como el LIDAR. Si bien existe una serie de investigaciones y desarrollos en teledetección y sus aplicaciones en las cienciasforestales y, específicamente para los inventarios forestales, hay una carrera hacia el desarrollo de aplicaciones basadas en nuevos sensores con las siguientes características: - Muy alta resolución espacial, desde 1 m x 1 m, y aún mayores; - Hiperespectrales, con más de 200 canales o bandas (AVIRIS) - Activos, que utilizan láser (LIDAR) y permiten elaborar modelos tridimensionales de las masas forestales En gran proporción estos desarrollos tienden a facilitar la obtención de diversos parámetros de los bosques a partir de la teledetección, con el propósito de reducir los muestreos terrestres e incrementar la precisión de las estimaciones forestales. También la integración entre teledetección y SIG es de gran importancia, debido a que los resultados del procesamiento de imágenes y fotografías aéreas será “geoinformación” en forma de mapas de diversas características, un insumo necesario y básico para los SIG forestales. Finalmente, es importante citar el Plan Espacial Nacional de la República Argentina, delineado por la Comisión Nacional de Actividades Espaciales (CONAE) que permitirá aprovechar localmente los desarrollos en el área de teledetección. En este aspecto, puede citarse al nuevo satélite argentino SAC-C y sus sensores MMRS y HRTC, diseñados especialmente para estudiar los grandes espacios territoriales argentinos. Si bien estos sistemas serán reemplazados por otros más avanzados, los archivos existentes serán una gran fuente de datos para estudios de monitoreo de los bosques argentinos. Es importante destacar la continuidad de este plan nacional, previéndose el desarrollo de nuevas tecnologías en el campo de la percepción remota para la evaluación de recursos naturales. Fase de teledetección y su relación con los recursos forestales 34Página 3.4 Procedimientos de clasificación de los recursos forestales y usos de la tierra Las imágenes satelitales utilizadas en este proyecto, el principal documento auxiliar del inventario forestal, admiten ser clasificadas mediante diversos procedimientos y estándares prefijados. Anderson (1976) indica que un sistema de clasificación de coberturas y usos de la tierra estructurado a partir de datos provenientes de la teledetección, debe cumplir con las siguientes características: 1. El nivel mínimo de seguridad en la identificación de clases de coberturas y usos de la tierra a partir de sensores remotos, debe ser al menos del 85% 2. La seguridad de la interpretación entre diversas clases debe ser equivalente 3. Deben poder obtenerse resultados similares entre un intérprete y otro, entre una época a otra de la interpretación 4. La clasificación debe ser aplicable a extensas áreas 5. La clasificación debe permitir sustituir las clases de vegetación y otras coberturas de la tierra por otras actividades 6. Debe permitir su uso a partir de datos registrados en diferentes épocas del año 7. Debe posibilitar la utilización de subcategorías que puedan ser obtenidas mediante levantamientos terrestres o mediante datos de teledetección de diferente resolución 8. Debe posibilitar la agregación de categorías 9. Debe posibilitar la comparación con futuros usos de la tierra 10. Cuando sea posible, deben poder reconocerse los múltiples usos de la tierra La clasificación propuesta por Anderson (op cit.), la cual incluye tres niveles, en un esquema del tipo anidado, continúa siendo muy utilizada en los EEUU y otras partes del mundo. Sus criterios han sentado precedente y han sido una de las bases para el desarrollo de otras clasificaciones basadas en documentos provenientes de la teledetección. Todo ello muestra la importancia de establecer criterios operativos sobre la clasificación de las coberturas y usos de la tierra, especialmente para los inventarios forestales. Entendiendo por clasificación a “la organización o arreglo de objetos en grupos sobre la base de sus relaciones” (Sokal 1974); es también importante discriminar los siguientes términos, según los establecen Di Gregorio y Jansen (2000): Fase de teledetección y su relación con los recursos forestales 35Página - Cobertura de la tierra: es la cubierta física sobre la superficie terrestre. - Uso de la tierra: se caracteriza por la distribución, actividades y resultados de actividades de las personas sobre una cierta cobertura de la tierra para producir, cambiar o mantenerla. 3.5 Esquema conceptual de clasificación para la interpretación Ante solicitudes de sus miembros y de la comunidad internacional, la FAO asumió la tarea de elaborar una clasificación para el inventario y monitoreo de los bosques del mundo. Por ello creó el programa de Evaluación de Recursos Forestales Mundiales, actualmente FRA 2000 (año del último estudio). La tabla 3.4 muestra las grandes clases de mayor importancia para los inventarios forestales definidas por este programa. El actual Primer Inventario Nacional de Bosques Nativos de la República Argentina adoptó la clasificación del FRA 2000 propuesta por la FAO, adaptándola al contexto argentino y a la disponibilidad de información de cada región forestal en particular. Una primera exigencia del inventario forestal es la identificación y delimitación del objeto de estudio, el bosque. Aquí se ha adoptado la terminología de bosque y no bosque, para diferenciar las tierras forestales de las otras clases de cobertura; todo ello ligado a los criterios citados del FRA 2000 y a las posibilidades de detección de las imágenes satelitales y la metodología de interpretación utilizada. En algunos casos especiales, pueden identificarse áreas de reserva como el Parque Nacional Iguazú en la Región Selva Misionera, que por sus especiales condiciones es codificado como un estrato independiente. Es muy importante resaltar que esta adecuación al FRA 2000, permitirá el uso de la información generada por el Primer Inventario Forestal Nacional de Bosques Nativos de la República Argentina en el contexto de aplicación global requerido por organismos internacionales. Fase de teledetección y su relación con los recursos forestales 36Página TABLA 3.4. PRINCIPALES CLASES DE COBERTURAS DE LA TIERRA DEFINIDAS POR EL FRA 2000 1 (*): La superficie total de tierras se define como Superficie total, sin considerar las aguas interiores. El esquema general para todas las regiones se muestra en la tabla 3.5; los esquemas aplicados a la estratificación de cada una de las regiones en particular se muestran en los Anexos. 1 Detalles sobre todas las categorías propuestas en: FAO 1998. FRA 2000 Términos y definiciones. Programa de evaluación de los recursos forestales. Documento de Trabajo 1. Roma, nov. 1998. Clases de coberturas de la tierra Definición Superficie total * Superficie total (del país) incluida la superficie cubierta por cuerpos de aguas interiores, pero excluyendo las aguas territoriales mar adentro. Bosque Tierra con una cubierta de copa (o su grado equivalente de espesura) de más del 10% del área y una superficie superior a 0,5 hectáreas. Los árboles deberían poder alcanzar una altura mínima de 5 metros a su madurez in situ. Puede consistir en formaciones forestales cerradas, donde árboles de diversos tamaños y sotobosque cubren gran parte del terreno; o bien en formaciones forestales abiertas, con una cubierta de vegetación continua donde la cubierta de copa sobrepasa el 10%. Dentro de la categoría de bosque se incluyen todos los rodales naturales jóvenes y todas las plantaciones establecidas para fines forestales que todavía tienen que crecer hasta alcanzar una densidad de copa del 10% o una altura de 5 m. También se incluyen en ella las áreas que normalmente forman parte del bosque, pero que están temporalmente desarboladas, como consecuencia de la intervención del hombre o por causas naturales,
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