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Cartografía vía satélite de incendios forestales

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La cartografía de las zonas quemadas a nivel mundial es básica para analizar la influencia de los gases de los incendios en el cambio climático. En un ámbito más reducido también es importante la elaboración de cartografía de las zonas quemadas para evaluar las implicaciones económicas y ecológicas y tomar posibles decisiones. En ambos casos, la teledetección ofrece una excelente oportunidad para realizar la cartografía.

La teledetección es un técnico que obtiene y utiliza imágenes por satélite. En caso de incendios forestales se suele utilizar en varias fases. Antes del incendio, sirve para obtener la información necesaria de los modelos utilizados para calcular el riesgo de incendio, conocer el estado hídrico o la temperatura de la vegetación, etc. Durante el incendio se puede ir estudiando el desarrollo y la extensión del mismo gracias a la teledetección. Por último, también se utiliza para evaluar el impacto tras la finalización del incendio, con el fin de elaborar la cartografía de la zona quemada, información sobre el grado de afección causado

obtención y seguimiento del proceso de recuperación.

Incendios y sus efectos

Los incendios forestales, los incendios de matorrales o arbustos y la agricultura por quema tienen una gran influencia sobre el medio ambiente, desde la escala más baja hasta la más alta. La deforestación intencionada altera totalmente los paisajes locales. A nivel regional, los incendios afectan a la estructura y composición de la vegetación en los ecosistemas de fenómenos naturales, como los bosques boreales y la chaparral mediterránea, así como al ciclo biogeoquímico e hidrología. Asimismo, los incendios forestales tienen una gran influencia en el cambio climático al generar gases y partículas (aerosoles) que contribuyen al efecto invernadero.

Cada ecosistema responde al fuego de una manera diferente, por lo que dependiendo del ecosistema, el incendio puede tener consecuencias diferentes. Por tanto, además de conocer la localización y extensión de los incendios, es imprescindible conocer las características de las zonas quemadas.

Sin embargo, a pesar de que los incendios tienen una gran incidencia a nivel mundial, generan una mayor atención a escala menor (regional o local). Los incendios mediterráneos son un ejemplo de ello: se tiene en cuenta cómo afectan a la economía y al medio ambiente de la región, pero los efectos mundiales no se analizan.

Sensores de teledetección

Trabajar con imágenes por satélite tiene grandes ventajas. En primer lugar, permite investigar fenómenos con una visión global, ya que se obtienen imágenes de casi todo el mundo de forma sistemática y en situaciones de observación similares. Por otro lado, la diversidad de sensores permite que los satélites realicen trabajos multi-escala y con objetivos. Además, nuestros ojos reciben información de otras zonas del espectro electromagnético que no perciben. Así, muchos fenómenos se ven mejor, como las zonas quemadas.

Hay muchos tipos de sensores. Por ejemplo, se pueden diferenciar pasivos y activos. Los pasivos reciben la radiación electromagnética del Sol reflejada por los objetos terrestres. Los activos, por el contrario, emiten ondas a la Tierra y después los objetos reciben una respuesta traducida. Estas ondas son normalmente microondas y son muy efectivas por su capacidad de atravesar nieblas.

También se pueden clasificar los sensores en función de la resolución. Existen tres tipos de resolución: resolución espacial, espectral y temporal. La resolución espacial se define como la medida del elemento más pequeño de la imagen, es decir, el tamaño del píxel. La resolución espacial más alta es de alrededor de un metro y la más baja de unos kilómetros. La resolución espectral se define como el número de zonas espectrales sensibles, es decir, el número de bandas. Actualmente existen sensores de muy alta resolución espectral (pueden contener cientos de bandas) llamados hiperespectrales. Finalmente, la resolución temporal puede variar de unos minutos a un mes, lo que indica la frecuencia con que se toma la imagen de un mismo espacio rural.

Estas tres resoluciones están en cierto equilibrio. Los sensores de alta resolución temporal suelen tener una baja resolución espacial y espectral, y se utilizan habitualmente en meteorología. Por el contrario, las personas con alta resolución espacial presentan una baja resolución temporal y espectral.

Incendios y sensores

Hace dos décadas se comenzaron a realizar estimaciones por satélite de la superficie quemada mediante la detección de incendios activos. Esta detección se basa en los altos niveles de radiación producidos por la temperatura de los incendios (banda de unos 3,6 mm). Pero no era muy útil, ya que el satélite pasaba con demasiada frecuencia para conocer el desarrollo exacto del incendio. Además, el humo y las nieblas provocadas por el incendio impiden en muchos casos la detección del incendio.

Por ello, los sensores y las bandas deben seleccionarse por zonas para obtener resultados satisfactorios. Por ejemplo, para la detección de incendios activos se han utilizado sensores de alta resolución temporal como NOAA-AVHRR, ESA-ATSR y, a partir del año 2000, EOS-MODIS. Este último sensor proporciona datos de alta calidad, las imágenes están georreferenciadas y los efectos de la atmósfera y las nieblas están corregidos y calibrados. Basándose en estas imágenes, han desarrollado un producto estándar a nivel mundial: MODIS MOD14 Fire and Thermal Anomalías Product . Une los incendios activos detectados diariamente en una resolución espacial de un kilómetro.

No obstante, al no ser adecuadas las detecciones de incendios activos para medir las zonas quemadas, se han desarrollado otras técnicas. Estas técnicas se basan en la detección de los cambios producidos por los incendios, como son la deposición de cenizas y carbón, la desaparición o alteración de la vegetación.

A nivel regional, además de los ya mencionados sensores NOAA-AVHRR y EOS-MODIS, se ha trabajado bastante con otros sensores de resolución espacial media como SPOT-VEGETATION. Además, a este nivel, y también a nivel local, es muy común utilizar imágenes de los satélites Landsat-TM y Landsat ETM+. Además de tener una buena resolución espacial, tienen una resolución espectral adecuada (espectro visible, infrarrojo cercano, infrarrojo medio y banda térmica) y son muy eficaces para cartografiar las zonas quemadas. La mayoría de los sistemas cartográficos nacionales de las zonas quemadas se basan en estas imágenes.

En la última década se han desarrollado satélites que capturan imágenes de alta resolución espacial, como ICONOS de Space Imaging y QUICKBIRD de DigitalGlobe. A pesar de que su grado de detalle es muy alto, su menor resolución espectral (sólo el espectro visible y cercano), no son tan buenos para incluir en el mapa las zonas quemadas.

¿Qué medir?

Antes de realizar cualquier tipo de cartografía con teledetección es imprescindible conocer cómo se comportan los elementos que se quieren plasmar en el mapa en las diferentes zonas del espectro. Es lo que se conoce como firma espectral y, una vez conocida, se pueden detectar objetos a partir de imágenes.

La característica espectral de las zonas quemadas está relacionada con el tiempo transcurrido desde el incendio, el daño causado y la vegetación previa, explicando los efectos a corto y largo plazo.

El cambio espectral a corto plazo es consecuencia de la combustión de la vegetación, de la deposición de cenizas y carbón, y produce un cambio de color importante en el espectro visible (verde a negro o marrón). Aunque este cambio no dura demasiado en el medio mediterráneo, en los bosques boreales puede durar años. El cambio es aún mayor en otros espectros, como por ejemplo en el infrarrojo cercano la reflectividad disminuye considerablemente, sobre todo en zonas con alto contenido en combustibles, debido a la alta generación de carbón.

En el infrarrojo de onda corta, la reflectancia tiende a aumentar debido a la pérdida de agua de los tejidos vegetales. Para muchos investigadores, esta banda es muy adecuada para cartografiar las zonas quemadas, ya que la influencia de la dispersión atmosférica es menor que en otras. En cuanto a las bandas térmicas, se puede apreciar un ligero aumento de la temperatura que desaparece inmediatamente después del incendio.

La afección a largo plazo es mucho más estable, ya que se basa en el cambio que sufre la estructura de la vegetación. Pero el cambio puede deberse a otros factores como el pastoreo, el viento, el estrés hídrico, la fenología o los insectos. Por ello, es muy difícil plasmar el impacto a largo plazo en el mapa.

Metodologías para la creación de cartografía

Se pueden distinguir dos grandes metodologías de cartografía de la zona quemada con imágenes por satélite, el análisis visual y el análisis digital. El análisis visual se basa en imágenes posteriores al incendio o en imágenes conjuntas antes y después del mismo. Utilizando las bandas que convengan y realizando las composiciones de color adecuadas, se pueden distinguir bastante claramente las zonas quemadas. De esta forma, la cartografía se realiza indicando en la pantalla del ordenador los puntos que delimitan el área quemada. Aunque la metodología es lenta, es muy precisa porque además de trabajar la percepción de los colores, los intérpretes expertos combinan el contexto de la zona con la información de las estructuras.

El análisis digital es una metodología mucho más rápida, pero puede dar más problemas, aunque en algunos casos es más preciso que el análisis visual. Una de las mayores ventajas de las metodologías digitales es la automatización, ya que si se diseñan algoritmos bien controlados, sólo el ordenador puede hacer cartografía. Desgraciadamente, los algoritmos no funcionan bien en todos los casos y requieren cierta garantía visual.

Para realizar análisis digitales, a menudo se crean nuevos datos a partir de datos básicos. Es el caso, por ejemplo, de los índices de zonas quemadas. Estos índices se basan en las operaciones de las bandas de origen y sirven para diferenciar mejor las zonas quemadas de otras zonas.

Los análisis digitales pueden tramitarse de dos formas. Aquellas que utilizan imágenes con alta resolución temporal se basan en la técnica denominada captura de cambios. En esta técnica se realiza un análisis de cada píxel a lo largo del tiempo para evaluar si ha habido algún cambio en su comportamiento por incendio. De la forma más sencilla, el análisis se realiza comparando las imágenes de inicio y final del incendio. Los píxeles que han cambiado mucho suelen tener valores elevados en estos índices quemados y se recogen en el mapa que están quemados, siempre que tengan características espectrales de las zonas quemadas.

En caso contrario, cuando se trabaja con imágenes de menor resolución temporal (y por lo tanto con mayor resolución espacial), normalmente se utilizan imágenes post-incendio. Al no ser comparables con los valores anteriores, sólo se basan en las características espectrales de los píxeles. Se puede realizar mediante diferentes métodos, siendo uno de los más sencillos el método de asignación. En este caso, atendiendo al índice de zonas quemadas, en el mapa se recogen todos los píxeles que superan un valor.

Líneas de investigación

En los últimos años se han investigado en tres ámbitos. Por un lado, en el desarrollo de nuevos índices, para mejorar la diferencia entre zonas quemadas y superficies con resultados espectrales similares. Por otro lado, son numerosas las investigaciones que se están llevando a cabo en la evaluación del grado de afección. Por último, se está estudiando la aplicación de la cartografía de la zona quemada a nivel regional y global, en base a los nuevos sensores puestos en marcha en los últimos años.

Queremos dar las gracias al Departamento de Geografía de la Universidad de Alcalá y en especial al catedrático Emilio Chuvieco por las imágenes cedidas.