Spaceborne SAR imagery for monitoring the inundation in the Doñana wetlands
Authors:   , Martí Cardona Belén 
Published: October 2023

The Doñana wetlands, in Southwest Spain, undergo yearly cycles of inundation in fall and drying out during the spring season. As any wetland ecosystem, Doñana depends critically on its water resources. Important monitoring and modeling efforts have been made since the 1990's in order to assess the ecosystem health, partially restore Doñana¿s natural hydrologic scheme and design climate change adaptation strategies for ensuring its sustainability.
The present research work inscribes within those efforts. Satellite images of Doñana marshes were acquired between 2006 and 2010, in order to obtain regional, synoptic observations of the inundation evolution, with the final aim to further current knowledge on the wetland's hydrology and to calibrate the existing two-dimensional hydraulic model of the marshes. The images were acquired by the C-band radar sensor ASAR, on board the Envisat satellite. ASAR's all-weather observation capability was particularly suitable to observe the flooding process, since this is associated to overcast weather. The images were ordered at seven different incidence angles in order to increase the observation frequency, and most of them in HH and VV polarizations.
A detailed observation of the wetland filling up was achieved during the 2006-2007 hydrological cycle. Backscattering temporal signatures of the main land cover types in Doñana were derived for the different incidence angles and polarizations. The signatures were analyzed with the aid of ground-truth data in order to identify the effect of the flooding on the backscattering coefficients. Conclusions on the feasibility to discriminate emerged versus flooded land were drawn for the different incidence angles, land cover types and phenological stages: Intermediate incidence angles (ASAR IS3 and IS4) came up as the most appropriate single swaths to discriminate open water surface from smooth bare soil in the marshland deepest areas. Flood mapping in pasture lands, the most elevated regions, is feasible at steep to mid incidence angles (ASAR IS1 to IS4). In the medium elevation zones, colonized by large helophytes, shallow incidence angles (ASAR IS6 and IS7) enable more accurate flood delineation during the vegetation growing phase up to approximately mid-April, when the penetration capacity at these swaths might become insufficient.
Due to the complex casuistic of the Doñana covers' backscattering, flood mapping from single ASAR acquisitions often resulted unfeasible. Flood mapping was then tackled by the synergistic use of the ASAR scenes with the Doñana¿s digital terrain model and vegetation map. The use of irregular filtering neighborhoods adapted to the topography drastically improved the ASAR image filtering, since natural edges tend to follow terrain contours. Clustering and classification algorithms were design to operate on individual sub-basins, as the pixels elevation is more accurately related to the cover classes within them. Vegetation and elevation maps plus knowledge of Doñana's backscattering characteristics from preceding studies were initially used to select seed pixels with high confidence on their class membership. Next, a region growing algorithm extends the seed regions with new pixels based on their planimmetric adjacency and backscattering distance to the seeds.
Frequent flood mapping from the ASAR scenes enabled the identification of several events for the calibration of the marshes hydraulic model. This research work also revealed other target information enclosed in the radar backscattering, such as the helophyte vegetation developmental degree or the potential to discriminate among plant communities. Learnings from this research work are expected to be applied and furthered with upcoming data from the C-band Sentinel-1 constellation and Radarsat-2 satellite, the L-band ALOS-2/PALSAR-2 system and the X-band future Spanish mission PAZ.
Las marismas de Doñana, situadas en el suroeste de la Península Ibérica, experimentan ciclos anuales de inundación en otoño y secado en primavera. Como en cualquier humedal, la sostenibilidad de Doñana depende críticamente de sus recursos de agua. Desde la década de los noventa se han realizado importantes esfuerzos de monitorización y modelación para evaluar la salud del ecosistema marismeño y restaurar en lo posible su régimen hidrológico natural, para prever riesgos derivados de las actividades socio-económicas próximas y del cambio climático, y para diseñar estrategias de adaptación que garanticen su sostenibilidad La presente tesis doctoral forma parte de estos esfuerzos. Entre los años 2006 y 2010 se encargó la adquisición expresa de numerosas imágenes satelitales de Doñana con el objeto de obtener observaciones regionales y sinópticas de la evolución de la superficie inundada en el humedal. Con estas observaciones se pretendía avanzar en el conocimiento de la hidrodinámica de las marismas y calibrar el modelo hidráulico bidimensional de las mismas. Lograr una frecuencia de observación elevada durante el llenado de las marismas fue un requisito de especial interés, pues es durante este período cuando la lluvia es más abundante y los procesos hidrodinámicos suceden a mayor velocidad. Las imágenes fueron adquiridas por el sensor radar en banda C ASAR, a bordo del satélite Envisat de la Agencia Espacial Europea. La capacidad de la banda C para atravesar la cobertura nubosa resultó particularmente apropiada para monitorizar con detalle el proceso de llenado, ya que éste se halla asociado a la presencia de nubes. Las imágenes ASAR se solicitaron en siete ángulos de incidencia diferentes para incrementar la frecuencia de observación y la mayoría de ellas fueron adquiridas con la configuración de polarizaciones HH/VV.
Durante el año hidrológico 2006-2007 se consiguió una monitorización detallada del proceso de llenado. Para este ciclo se elaboraron signaturas temporales de los principales tipos de cubiertas en Doñana, en los distintos ángulos de incidencia y polarizaciones disponibles. Las signaturas se analizaron con la ayuda de datos de verdad-terreno para identificar el efecto de la inundación sobre el coeficiente de retrodispersión y se extrajeron conclusiones sobre la posibilidad de discriminar superficies emergidas e inundadas en función del ángulo de incidencia, tipo de cobertura vegetal y fase fenológica: ángulos de incidencia intermedios, como los IS3 e IS4 de ASAR, resultaron ser los más apropiados para discriminar en una única imagen superficies de agua libre. La cartografía de inundación en los paciles, las regiones más elevadas, es factible usando ángulos reducidos y medios (entre IS1 e IS4 de ASAR). En las zonas de elevación intermedia, colonizadas por grandes helófitos, los ángulos de incidencia elevados (IS6 e IS7 de ASAR) permiten una delimitación de la inundación más precisa durante el desarrollo de la vegetación hasta aproximadamente mediados de abril, cuando la capacidad de penetración de estos ángulos puede resultar insuficiente.
Dada la compleja casuística de la retrodispersión de las cubiertas de Doñana, a menudo resultó inviable delinear la inundación en toda la marisma a partir de una única adquisición de ASAR. La cartografía de inundación se abordó entonces mediante el uso sinérgico de los datos ASAR con el modelo digital del terreno y el mapa de vegetación de Doñana. El uso de entornos de procesado irregulares adaptados a la topografía mejoró drásticamente el filtrado de las imágenes, ya que los bordes naturales tienden a seguir las curvas de nivel del terreno. A continuación se diseñaron algoritmos de agrupación y clasificación de píxeles que utilizan los datos ASAR junto con la cota del terreno y el mapa de vegetación, y que se aplican independientemente en las distintas subcuencas de Doñana, porque dentro de ellas existe una relación más precisa entre la cota de los píxeles y la clase de cubierta. Los mapas de elevación y vegetación, más el conocimiento adquirido sobre las características de retrodispersión de Doñana se utilizaron inicialmente para escoger píxeles germen o de origen con elevada confianza en su clase de pertenencia. A continuación, un algoritmo iterativo extiende las regiones germen, incorporando los píxeles adyacentes que son además próximos en distancia de retrodispersión.
La cartografía frecuente de inundación a partir de las escenas ASAR permitió identificar distintos eventos de calibración para el modelo hidrodinámico de las marismas de Doñana. Esta investigación también puso de manifiesto que la retrodispersión radar aporta datos adicionales sobre el estado de las marismas, como es el grado de desarrollo de las especies helófitas o la capacidad de discriminar ciertas comunidades vegetales.
Es de desear que los conocimientos derivados de este estudio puedan ser aplicados y extendidos con los datos polarimétricos de Doñana que serán adquiridos en breve por modernos radares satelitales. Se trata del sensor canadiense Radarsat-2 y de la constelación europea Sentinel-1, ambos operando en banda C, del sistema japonés ALOS-2/PALSAR-2, en banda L, y de la futura misión española PAZ, en banda X.
Els aiguamolls de Doñana, situats al sud-oest de la Península Ibèrica, experimenten cicles anuals d'inundació a la tardor i d’assecament a la primavera. Com en qualsevol zona humida, la sostenibilitat de Doñana depèn fonamentalment dels seus recursos hídrics. Des de la dècada dels noranta s’han portat a terme importants esforços de seguiment i modelització per a avaluar la salut de l'ecosistema i restaurar tant com sigui possible el seu règim hidrològic natural, per a preveure riscos derivats de les activitats sòcio-econòmiques i del canvi climàtic, i per a dissenyar estratègies d'adaptació que garanteixin la seva sostenibilitat.
La present tesi doctoral forma part d’aquests esforços. Entre 2006 i 2010 s’encarregà l’adquisició expressa de nombroses imatges satel·litals de Doñana amb l’objecte d’obtenir observacions regionals i sinòptiques de l'evolució de la superfície inundada als aiguamolls. Amb aquestes observacions es pretenia avançar en el coneixement de la hidrodinàmica del conjunt humit i calibrar el model hidràulic bidimensional del mateix. Aconseguir una freqüència d'observació elevada durant l'ompliment dels aiguamolls fou un requisit d'especial interès, ja que durant aquest període la pluja és més abundant i els processos hidrodinàmics són més ràpids. Les imatges foren adquirides pel sensor radar en banda C ASAR, a bord del satèl·lit Envisat de l'Agència Espacial Europea.
La capacitat de la banda C per a travessar la nuvolositat resultà particularment adient per a monitoritzar en detall el procés d'ompliment, ja que aquest està associat amb la presència de núvols. Les imatges ASAR se sol·licitaren en set angles d'incidència diferents per a augmentar la freqüència d'observació, i la majoria d'elles foren adquirides amb la configuració de polaritzacions HH/VV.
Durant l'any hidrològic 2006-2007 s’aconseguí un seguiment detallat del procés d'ompliment. Per a aquest cicle es desenvoluparen signatures temporals dels principals tipus de cobertes de Doñana, en els diferents angles d'incidència i polaritzacions disponibles. Les signatures s’analitzaren amb l'ajuda de dades de veritat-terreny per a identificar l'efecte de la inundació en el coeficient de retrodispersió i s’extragueren conclusions sobre la possibilitat de discriminar superfícies emergides i inundades en funció de l'angle d'incidència, tipus de cobertura vegetal i fase fenològica: angles d’incidència intermitjos, com els IS3 i IS4 d’ASAR, resultaren ser els més apropiats per a discriminar superfícies d’aigua lliure en una sola imatge. La cartografia d'inundació als paciles, les regions més elevades, és factible utilitzant angles d’incidència reduïts i intermitjos (entre IS1 i IS4 d’ASAR). En les zones d'elevació intermèdia, colonitzades per grans helòfits, els angles d'incidència grans (IS7 i IS6 d’ASAR) permeten una delimitació de la inundació més precisa durant el desenvolupament de la vegetació fins a aproximadament mitjans d’abril, quan la capacitat de penetració d'aquests angles pot resultar insuficient.
Donada la complexa casuística de la retrodispersión de les cobertes de Doñana, la cartografia d’inundació dels aiguamolls sencers a partir d’una sola imatge ASAR fou sovint inviable. Aquesta cartografia s’abordà llavors mitjançant l’ús sinèrgic de les dades ASAR amb el model digital del terreny i el mapa de vegetació de Doñana. L’ús d’entorns de processat irregulars adaptats a la topografia millorà dràsticament el filtrat de les imatges, ja que les vores naturals tendeixen a seguir les corbes de nivell del terreny. Seguidament es dissenyaren algoritmes d’agrupació i classificació de píxels que utilitzen dades ASAR, la cota del terreny i el mapa de vegetació, i que s’apliquen independentment a les diferents sub-conques de Doñana, perquè a dins d'elles existeix una relació més acurada entre la cota dels píxels i el tipus de coberta. Els mapes d'elevació i vegetació, més el coneixement adquirit sobre les característiques del retrodispersió de Doñana s’utilitzaren inicialment per a seleccionar píxels germen o d’origen amb elevada confiança en la seva classe de pertinença. A continuació, un algoritme iteratiu expandeix les regions germen, incorporant-hi els píxels adjacents que són, a més a més, propers en distància de retrodispersió.
La cartografia freqüent d’inundació a partir de les escenes ASAR permeté identificar diferents esdeveniments de calibració per al model hidrodinàmic dels aiguamolls de Doñana. Aquest treball de recerca també posà de manifest que la retrodispersión radar aporta dades addicionals sobre l’estat dels aiguamolls, ara com el grau de desenvolupament de les espècies helòfites o la capacitat de discriminar certes comunitats vegetals.
És d’esperar que els coneixements derivats d'aquest estudi puguin ser aplicats i ampliats amb les dades polarimètriques de Doñana que seran adquirides properament per moderns radars satel·litals: es tracta del sensor canadenc Radarsat-2 i de la constel·lació europea Sentinel-1, ambdós operant en banda C, del sistema japonès ALOS-2/PALSAR-2, en banda L, i de la futura missió espanyola PAZ, en banda X.