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Seguimiento de eventos de inundación utilizando distintas plataformas satelitales - PDF
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Lorena Valenzuela Pérez
1 55 Seguimiento de eventos de inundación utilizando distintas plataformas satelitales a a,b a a,b Posse, Gabriela ; Corin, Jorgelina ; Lewkzuk, Nuria y Cristiano, Piedad. a Instituto de Clima y Agua, Instituto Nacional de Tecnología Agropecuaria b CONICET RESUMEN Hoy en día es indiscutible la utilidad de incorporar la información remota en los estudios que involucran la detección y el seguimiento de inundaciones. Existen diferentes plataformas satelitales que resultan útiles para estos propósitos. La diferencia en la respuesta espectral del agua y la tierra seca en la región del infrarrojo y del térmico hacen esto posible. La plataforma satelital a utilizar dependerá de la escala de detalle requerida, el área total y la frecuencia requerida en el monitoreo. Muchas veces se recurre a la integración de imágenes provenientes de diferentes sensores. Es fundamental incorporar datos de tierra (usos del suelo, actividades económicas, densidad de población, curvas de nivel, tipos de suelo) para integrarlos en un sistema de información geográfica. Un punto a destacar es la necesidad de sistematizar la información. El mapeo de una inundación luego de ocurrido el hecho, es inútil para evaluar daño si se desconoce lo que había por debajo de la superficie ocupada por el agua. Al mismo tiempo, contar con mapas en situaciones normales, en las que estén mapeados fielmente los cursos de agua, resultan imprescindibles para conocer con exactitud el área afectada. Palabras clave: Integración de datos, Sistema de información geográfica, Sistematización, Prevención, Archivo histórico. ABSTRACT Today is unquestionable utility of incorporating remote information in the studies involving the detection and monitoring of floods. There are several satellite platforms that are useful for these purposes. The difference in the spectral response of water and dry land in the region of infrared and thermal make this possible. The satellite platform to use depends on the level of detail required, the total area and the required monitoring frequency. It is often used the integration of images from different sensors, using radar data also. It is essential to incorporate data from land (land use, economic activities, population density, topographical data, and soil types) to be integrated into a geographic information system. A point to note is the need to systematize the information. The mapping of flood happened after the fact; it is useless to assess damage if not known what was underneath the area occupied by water. At the same time having maps in normal situations are critical to know precisely the affected area. Keywords: Data integration, Geographical information system, Organization, Prevention, Historical documentation El mapeo de las áreas afectadas por las inundaciones es una importante herramienta que ayuda a determinar los alcances de la situación de emergencia y permite cuantificar la superficie afectada (Sanyal y Lu 2004). El monitoreo de la inundación puede ayudar a disminuir las pérdidas de vida, y puede brindar información muy valiosa para que las autoridades ajusten su plan de acción. Los sensores remotos son una herramienta valiosísima ya que nos permiten tener una visión global del problema (Di Bella et al. 2008). Al brindar información espacialmente explícita y abarcar generalmente un área extensa, permiten el acceso a información del área de interés rápidamente. Es mucho mayor el tiempo necesario para realizar un trabajo de campo, aunque este último tipo de relevamiento es necesario para validar la información remota. La información que nos brindan los sensores pasivos, llamados así a los sensores que utilizan la energía solar como fuente de energía, es el porcentaje de la energía solar reflejada por la superficie terrestre. La proporción de la energía incidente que es reflejada hacia el sensor varía según las características de la superficie y de la longitud de onda que estemos observando. El conocimiento de los patrones típicos de las distintas coberturas es lo que nos permite interpretar las imágenes satelitales (Figura 1). La vegetación presenta un comportamiento reflectivo completamente diferente a del agua. La vegetación sana tiene una baja reflectividad en el visible, ya que los pigmentos fotosintéticos utilizan la luz visible para2 56 realizar el proceso de fotosíntesis. Por el contrario, la reflectividad es muy alta en el infrarrojo cercano debido a que la estructura celular del mesófilo de las hojas refleja la radiación en esa longitud de onda. (Baret 1990, Guyot et al. 1992). Se observa también que la reflectividad de una planta depende de su contenido de agua. La absorción del agua en la vegetación es máxima alrededor de los 1.4, 1.9 y 2.6 micrómetros. Estas longitudes de onda nos permiten detectar estrés hídrico sufrido por la vegetación. La presencia de agua pura se puede detectar con imágenes que contengan información de la porción del espectro visible, pero se obtendrán resultados más objetivos si se utilizan regiones del espectro no visible para el ojo humano. El agua tiene un pequeño pico de reflectancia en la región del verde y luego va disminuyendo hacia el infrarrojo. Esta falta de reflectividad en el infrarrojo va a ser clave para distinguir entre áreas de tierra y agua tanto en como la interfase entre las costa de lagos como en ríos. El carácter tridimensional de las superficies de agua hace que en su respuesta espectral aparezca como un componente debido a la superficie, otro a la columna de agua y un tercero al fondo. Por lo tanto, variaciones en la columna de agua como en los materiales del fondo van a alterar su respuesta: un fondo de arena clara proporciona mayor reflectancia que otro compuesto por materia orgánica en descomposición (Chuvieco 2002). Al incrementarse la profundidad del agua la reflectancia en cualquier longitud de onda desciende. Figura 1: Respuesta espectral característica de la vegetación sana y del agua pura. Otra posibilidad es utilizar imágenes térmicas. Según la ley de Planck, todo cuerpo que se encuentre por encima de los 0 K emite energía. En función de la temperatura que tenga el cuerpo, la ley de desplazamiento de Wien nos permite calcular la región del espectro donde la emitancia es máxima. La tierra, con una temperatura media de aproximadamente 300 K tiene su máxima emitancia en la región del infrarrojo térmico, entre los 8 y 14 ìm. En esta región, la información que recibe el sensor no es el resultado de la reflexión de la energía solar, sino que es la radiación emitida por la superficie terrestre. El agua, debido a su alta capacidad e inercia térmica, tiene la capacidad de almacenar más calor que la vegetación y los suelos y es capaz de conservarlo por más tiempo. Esto hace que presente valores de temperatura menores durante el día y mayores durante la noche, comparándolas con áreas secas. Es por esta razón que muchas veces se utilizan imágenes con información del infrarrojo térmico de la madrugada, cuando las temperaturas de la superficie terrestre son mínimas, para detectar cuerpos de agua, ya que éstas se encuentran a mayor temperatura. Podemos sintetizar los objetivos que se pueden alcanzar trabajando con sensores remotos en dos objetivos particulares: Mapeo y cuantificación del área afectada y el seguimiento temporal del evento. 1) Mapeo y cuantificación: Generalmente el primer problema que se necesita resolver es la delimitación del área afectada. El resultado más simple será entonces un mapa en el que figuren dos clases: áreas inundadas y no inundadas. Según la extensión del área de estudio, la disponibilidad de imágenes, las características de lasclases que se necesitan cuantificar y la precisión requerida, el mapeo se realizará en base a imágenes de baja o alta resolución. El sensor AVHRR montado sobre el s a t é l i t e m e t e o r o l ó g i c o N O A A ( N a t i o n a l Oceanographic and Atmospheric Administration),3 57 resulta muy útil para monitorear eventos a escala información a mayor resolución espacial, ya que el regional, debido a su alta frecuencia de pasaje y a su tamaño del píxel es de 30 x 30 m. Esto permite moderada resolución espacial. Este satélite provee generar mapeos mucho mas detallados, muy útiles información crucial para monitorear áreas inundadas, para detectar daños en zonas urbanas, como por siempre y cuando el siniestro sea de una magnitud ejemplo barrios afectados, caminos cortados, rutas perceptible a la resolución espacial de estos satélites en peligro. Se pueden detectar efectos sobre el (1km 2 por píxel) (Figuras 2, 3 y 4). El sensor MODIS, escurrimiento del agua producto de canales montado sobre los satélites AQUA y TERRA, también clandestinos, obras nuevas, rutas y vías de ferrocarril, brinda información valiosa con una alta frecuencia de etc. Si se agrega información de curvas de nivel, es imágenes disponibles por día: hasta 6 veces por día. posible prever problemas de drenaje, estimar rutas La resolución es similar al de NOAA en la mayoría de posibles de escurrimiento, etc. Si contamos con datos las bandas espectrales, aunque las bandas del rojo y de usos actuales del suelo, se puede estimar del infrarrojo alcanzan los 250 m de resolución pérdidas de producción (actuales y potenciales). La espacial. Si lo que se requiere es estudiar los efectos desventaja que tiene respecto a las imágenes NOAA de una inundación sobre un área urbana o realizar es que requiere mayor tiempo de procesamiento y el cálculos más precisos de las pérdidas económicas, tiempo de revisita a un sitio en particular es de 16 necesitaremos trabajar con imágenes de mayor días. resolución espacial. El satélite Landsat brinda Figura 2: Imagen provista por el satélite NOAA 16, bandas 3 2 y 1. En color azul oscuro se detectan la presencia de agua.4 58 Figura 3: Imagen provista por el satélite NOAA 12 de la madrugada, banda 5, infrarrojo térmico. Las áreas cubiertas por el agua presentan colores más claros, ya que tienen mayores valores de temperatura en superficie que la tierra seca. Figura 4: Clasificación sobre una imagen NOAA, donde se han mapeado las áreas con agua en colores azul y celeste.5 59 2) Seguimiento temporal del evento: El análisis de caso. una serie temporal de imágenes permite monitorear Trabajando con imágenes de alta resolución se la duración de una inundación y estudiar su evolución puede realizar mapas de riesgo, delimitando zonas (Figura 5). Resulta muy útil analizar la evolución de la inundables según distintos escenarios. Para esto se inundación, colaborando en la predicción de la debe llevar un registro de las diferentes zonas que recuperación de las áreas afectadas. Al igual que en resultan afectadas por inundaciones de distinta el punto anterior, esto se puede analizar a diferentes intensidad. escalas, según los requerimientos particulares del Figura 5: Diferencias en la superficie cubierta por agua en dos momentos diferentes sobre una imagen Landsat (bandas 5, 4, 3).6 60 En ambos casos, lo más común es utilizar alguna banda que mida la reflectancia en la zona del infrarrojo, ya que la reflección del agua en esa zona es mínima. Dependiendo del sensor utilizado y de las características específicas del área de estudio será necesario corroborar los límites espectrales de la señal del agua. En la tabla 1 presentamos un pequeño resumen del ancho de banda correspondiente al infrarrojo en las plataformas más comunes con las que se trabaja. Hoy en día esto resulta relativamente fácil de realizar, ya que existen numerosos trabajos publicados y mapeos realizados que nos brindan contundentes antecedentes en la materia (Sanyal y Lu 2004; Overton 2005, Buehler et al. 2006; Di Martino et al. 2007). Actualmente la disponibilidad de imágenes de sensores remotos es alta y de relativo bajo costo. Sin embargo muchas veces los trabajos realizados con sensores remotos adolecen en la práctica de mediciones en el terreno (verdades de terreno) que nos permiten conocer el porcentaje de error de las estimaciones que se realizan a partir de esos mapeos. Generalmente contar con datos de campo es lo mas caro en tiempo y dinero, y por esta razón, muchas veces en la práctica este procedimiento es ignorado. De suma importancia también y ausente en la mayoría de los países poco desarrollados es la sistematización de la información y la previsión. El mapeo de una inundación luego de ocurrido el hecho, es inútil para evaluar daño si se desconoce lo que había por debajo de la superficie hoy ocupada por el agua. Al mismo tiempo, contar con mapas en situaciones normales, en las que estén mapeados fielmente los cursos de agua, resultan imprescindibles para conocer con exactitud el área afectada. En línea con esto, a fin de conocer la vulnerabilidad de diferentes zonas susceptibles a la inundación, resulta necesario contar con un archivo de eventos pasados, sobre los cuales se analizará la frecuencia de inundaciones sufridas. El estudio y análisis de las condiciones meteorológicas de cada evento permitirá contar con ciertas previsiones ante determinadas situaciones. Tabla 1: Algunos ejemplos de las bandas utilizadas más comúnmente para mapear presencia de agua en diferentes plataformas satelitales Uno de los nuevos desafíos relacionados con la temática del agua es la necesidad de trabajar en sistemas donde el agua es un componente natural de la dinámica de la vegetación, como en la zona de la pampa deprimida de la Argentina. Lo mismo ocurre en zonas de delta o en los manglares. El agua muchas veces influye en el funcionamiento de los ecosistemas, donde forma parte de los mismos. El comportamiento de la fenología de los canopeos es influido diferencialmente según la posición topográfica y la historia geológica de cada sitio (Posse et al.2005). En estas situaciones es muy útil y frecuente recurrir a la utilización conjunta de imágenes provenientes de sensores pasivos y activos (Toyra et al, 2002; Kandus et al. 2006). En ecosistemas donde el agua no cubre la superficie completamente, pero la variación de su profundidad tiene efectos en la vegetación, resulta dificultoso el estudio de su dinámica con los métodos tradicionales. La interacción de la señal del agua con la de la vegetación se mezcla y requiere un tratamiento especial, por ejemplo, para estimar la productividad primaria en estos sistemas. Recientemente Beget et al (2007) y Beget y Di Bella (2007) han trabajado sobre las respuestas espectrales de la vegetación sumergida y sobre la inversión de un modelo de transferencia radiativa (el SAIL) proponiendo una modificación del mismo al incorporar una película de agua sobre el sistema estudiado (SAIL Flood). Este modelo se encuentra en esta experimental aún, pero los primeros resultados son promisorios.7 61 REFERENCIAS: Baret, F Factors and mechanism governing canopy spectral reflectance: application for agriculture. Technical note, INRA, Avignon. Beget, M.E., Baret, F., Di Bella, C. M. Hanocq, J.F The Flooding Pampa Grasslands: a Radiative transfer model approach. XII Congreso de la Asociación Española de Teledetección , Bs. As, Argentina. Beget. M.E. & Di Bella, C.M Flooding: the effect of water depth on the spectral response of grass canopies. Journal of Hydrology 335: Buehler, Y.A., Kellenberger, T.W., Small, D. Itten, K.I Rapid mapping with remote sensing data during flooding 2005 in Chuvieco, E Teledetección ambiental. La observación de la Tierra vista desde el espacio. Editorial Ariel Ciencia. España. Di Bella, C.M., Posse, G., Beget, M.E. Fischer, M.A., Mari, N.A. & Verón, S La teledetección como herramienta para la prevensión, seguimiento y evaluación de incendios e inundaciones. Ecosistemas 17 (3): Di Martino, G., Iodice, A., Riccio, D. Ruello, G Monitoring of flooding in urban areas. Urban Remote Sensing Joint Event: 1-5. Guyot, G., Baret, F. & Jacquemoud, S Imaging spectroscopy for vegetation studies. En: Toselli, F. & Bodechtel, J. (eds). Imaging Spectroscopy: Fundamentals and Prospective Applications, pp: Kluwer Academic Publishers, The Netherlands. Kandus, P., Karszenbaum, H., Salvia, M., Gonzalez Trilla, G., Pratolongo, P., Grings, F.M., Zoffoli, L. & Ferrazzoli, P Multiscale-multisensor approach in studying wetlands of the Parana river Delta Region in Argentina. European Space Agency (Special Publication) ESA SP (SP-634). Overton, I.C Modelling floodplain inundation on a regulated river: integrating GIS, remote sensing and hydrologicalmodels. River Research and Applications 21: Posse, G., Oesterheld, M. & Di Bella, C.M Landscape, soil and meteorological influences on canopy dynamics. Applied Vegetation Science 8: Sanyal, J. & Lu, X.X Application of remote sensing in Floyd Management with spectral referente to Monsoon Asia: a review. Natural Hazards 33: 283:301. Switzerland by object-based methods: A case study WIT. 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