Seguimiento de la consolidación del desarrollo urbano en la comunidad de Madrid mediante técnicas de telederección

Tecnologías de la Información Geográfica: la Información Geográfica al Servicio de los Ciudadanos. Secretariado de Publicaciones de la Universidad de Sevilla. Sevilla 2010 625 Albizua, L., Barinagarrementeria, I. y Ibánez, J.C. (2010): Seguimiento de la consolidación del desarrollo urbano en la Comunidad de Madrid mediante técnicas de teledetección. En: Ojeda, J., Pita, M.F. y Vallejo, I. (Eds.), Tecnologías de la Información Geográfica: La Información Geográfica al servicio de los ciudadanos. Secretariado de Publicaciones de la Universidad de Sevilla. Sevilla. Pp. 625-639. ISBN: 978-84-472-1294-1 SEGUIMIENTO DE LA CONSOLIDACIÓN DEL DESARROLLO URBANO EN LA COMUNIDAD DE MADRID MEDIANTE TÉCNICAS DE TELEDETECCIÓN Albizua, L.1, Barinagarrementeria, I.2 e Ibáñez, J.C.3 (1) Lourdes Albizua. TRACASA , 31621 Sarriguren (Navarra) [email protected] (2) Idurre Barinagarrementeria TRACASA , 31621 Sarriguren (Navarra) [email protected] (3) Juan Carlos Ibañez CYII 28003 MADRID [email protected] RESUMEN El proyecto “Seguimiento de la consolidación del desarrollo urbano en la Comunidad de Madrid mediante técnicas de Teledetección” se enmarca dentro de las actuales líneas de investigación sobre Aseguramiento del equilibrio disponibilidades/demandas de agua del Plan I+D+i del Canal Isabel II, empresa pública responsable de la gestión del ciclo integral del agua en la Comunidad de Madrid. El trabajo ha consistido en la puesta a punto de una metodología operativa para la definición y elaboración de una base de datos cartográfica para la Comunidad de Madrid y la realización de actualizaciones periódicas, a partir de imágenes del satélite SPOT5. En esta base de datos queda reflejada la evolución temporal de las zonas urbanizadas como consecuencia de la consolidación de los Planes de Desarrollo Urbano de los municipios, así como el estado y evolución de zonas verdes urbanas. La información resultante se ha incorporado en el Sistema de Información Geográfica de Canal de Isabel II y servirá de base para la elaboración y actualización de los Planes de desarrollo de infraestructuras estratégicas de abastecimiento, que deben dar respuesta anticipada a las futuras demandas de agua ocasionadas por el proceso de expansión urbana en la Comunidad de Madrid. Palabras clave: Planes urbanísticos, Cambios urbanos, Demanda de agua, Imágenes de satélite, Teledetección. ABSTRACT The present project “Monitoring urban development consolidation in the community of Madrid using remote sensing techniques” is within the current research lines for the Assurement of the water balance of availability/ demands, in the frame of Canal Isabel II I+D+i Plan. Canal Isabel II is a public sector company responsible for the water management supply in the Community of Madrid. The aim of this project is to develop an operative methodology, in order to define and develop a cartographic database in the Community of Madrid, which involves periodical updates, based on SPOT5 satellite imagery. This database should reflect the evolution of the urbanized areas as a result of the Urban Development Plannings’ consolidation in all municipalities, as well as the evolution and state of the green urban areas. Tecnologías de la Información Geográfica: la Información Geográfica al Servicio de los Ciudadanos. Secretariado de Publicaciones de la Universidad de Sevilla. Sevilla 2010 626 Resulting information has been integrated on the Canal de Isabel II’s Geographical Information System and is intended to be the basis for the development and updating of the strategical supply infrastructure development plan that should anticipate to future water demands caused by urban expanding in the Community of Madrid. Key Words: Urban planning, Urban changes, Water supply demands, Satellite images, Remote sensing. INTRODUCCIÓN El Canal de Isabel II (CYII) es la empresa responsable del abastecimiento de agua potable a la Comunidad de Madrid, con una población total suministrada de más de seis millones de personas, y ejerciendo su actividad en todas las fases del ciclo integral del agua, desde su captación hasta su devolución al medio natural en condiciones adecuadas de calidad. El desarrollo y ordenación del territorio en las ciudades tiene como consecuencia un incremento y redistribución geográfica de la demanda de agua. Estos cambios se producen cada vez con mayor dinamismo y el Canal de Isabel II, como entidad responsable del abastecimiento debe programar con antelación suficiente las inversiones necesarias para disponer las infraestructuras que aseguren las condiciones del servicio a todas las propiedades que se incorporen al sistema, sin menoscabo de la garantía y calidad de servicio al conjunto del sistema. Las predicciones de evolución de las demandas, tanto en su cuantía como en su distribución territorial tienen como principal referente las expectativas de crecimiento vinculadas al desarrollo del planeamiento urbano municipal. La velocidad a la que se produzca la consolidación del suelo urbano es determinante en los plazos requeridos para la construcción y puesta en servicio de las nuevas infraestructuras. El Canal de Isabel II, en su plan de I+D+i dispone de una línea de investigación sobre Aseguramiento del equilibrio entre disponibilidades y demandas, y en ese marco se han llevado a cabo diversos proyectos de investigación sobre el comportamiento actual de la demanda de agua y previsiones de evolución futura a diversos horizontes. El proyecto que aquí se presenta tiene como objeto acotar la incertidumbre existente en cuanto a los plazos reales de consolidación de las previsiones de expansión urbana contenidas en los planes urbanísticos municipales. Los satélites de observación de la Tierra y las técnicas más avanzadas de Teledetección se han propuesto como herramienta para el seguimiento periódico de la consolidación urbanística en la Comunidad de Madrid. Estas técnicas también se han mostrado útiles para la detección y cuantificación de las zonas verdes urbanas, que en la actualidad suponen un elemento importante de la demanda de agua potable. El proyecto se ha concretado en la puesta a punto de una metodología operativa para la definición y elaboración de una base de datos cartográfica del ámbito geográfico de la Comunidad de Madrid y la realización de actualizaciones periódicas, a partir de imágenes de satélite. En esta base de datos queda reflejada la evolución temporal de las zonas urbanizadas de la región, así como el estado y evolución de zonas verdes urbanas públicas o privadas. La empresa TRACASA, adjudicataria mediante concurso, ha sido la responsable de la ejecución del proyecto. La información básica del proyecto ha sido las imágenes de satélite de alta resolución (SPOT XS de 10 m y PAN de 2,5 m) en toda la Comunidad de Madrid y de muy alta resolución en una zona piloto de 50 km² (QuickBird de 2,4 m) a las que se les ha realizado un pre-procesamiento básico (ortorrectificación, correciones atmosféricas, fusión, mosaico) para posteriormente y mediante distintos algoritmos proceder a la detección de cambios entre imágenes de dos fechas distintas. Los dos periodos objeto de estudio han sido verano 2008 para el establecimiento de la metodología de definición de la base de datos cartográfica y de clasificación, y verano 2009 para la definición de la metodología correspondiente a la realización de actualizaciones periódicas. Los planes urbanísticos, el mapa SIOSE (Sistema de Información de Ocupación del Suelo Español) y el catastro han sido la información auxiliar más relevante utilizada en los procesos de estratificación, segmentación y clasificación de imágenes. Además para la detección y clasificación de los cambios acaecidos en zonas urbanas se han aplicado algoritmos de detección de cambios, entre los que se encuentran, la clasificación de imágenes, diferencia de imágenes, el análisis de componentes principales, transformaciones Tasseled Cap, segmentación, detección de sombras, etc, Tecnologías de la Información Geográfica: la Información Geográfica al Servicio de los Ciudadanos. Secretariado de Publicaciones de la Universidad de Sevilla. Sevilla 2010 627 La delimitación de las zonas verdes con demanda de agua de tipo urbano o cultivos de regadío se ha realizado mediante la generación de índices de vegetación. Asimismo estos índices han permitido evaluar el estado de la vegetación de superficies cultivadas de secano y las superficies forestales. La información resultante se ha incorporado en el Sistema de Información Geográfica de Canal de Isabel II y servirá de base para la elaboración y actualización de los Planes de desarrollo de infraestructuras estratégicas de abastecimiento, que deben dar respuesta anticipada a las futuras demandas de agua ocasionadas por el proceso de expansión urbana en la Comunidad de Madrid. Los resultados del proyecto son satisfactorios, fruto de ello es la continuidad del proyecto en 2010 con la ejecución de nuevas actualizaciones correspondientes a la adquisición de coberturas de imágenes de principio de primavera y final de verano. La realización de este proyecto es de enorme interés por su temática: cambios urbanos y demanda de agua mediante con técnicas de Teledetección. AREA DE ESTUDIO El ámbito territorial de estudio cubre la totalidad de la Comunidad de Madrid, con una superficie de 8.021,80 km². El presente proyecto tiene como objetivo evaluar la evolución temporal del desarrollo de las zonas urbanizadas, por lo tanto los núcleos urbanos y sus alrededores requieren una atención especial, por ser zonas sujetas a un gran dinamismo en la evolución de los Planes de Desarrollo Urbanísticos de los municipios de la Comunidad de Madrid. METODOLOGÍA La metodología desarrollada para el presente proyecto, de actualización de la base de datos cartográfica mediante la aplicación de técnicas de Teledetección a coberturas periódicas de imágenes de satélite SPOT5 de la comunidad de Madrid, contempla las siguientes fases: - FASE 1: Recopilación y análisis de la información disponible - FASE 2: Programación y Adquisición de las imágenes de satélite - FASE 3: Diseño de la base de datos cartográfica - FASE 4: Proceso de imágenes  Procesado básico  Procesos específicos de seguimiento urbano  Procesos específicos de la delimitación de la zona verde  Metodología de años posteriores  Verificación de metodología con imágenes Quickbird - FASE 5: Estimación de la demanda de agua Fase 1: Recopilación y análisis de la información disponible De la información recibida por el Canal de Isabel II y aportada por TRACASA, la más relevante ha sido: - Edición digital de la ortofotografía a escala 1:5000 del vuelo 2006 de toda la Comunidad de Madrid. - Ortoimagen SPOT 2005 de la cobertura de la península del PNT. - Cartografía digital de catastro urbano actualizada en 2009. - Base de datos cartográfica de zonas verdes y usos de agua en exterior actualizada con el vuelo fotogramétrico de 2006. Tecnologías de la Información Geográfica: la Información Geográfica al Servicio de los Ciudadanos. Secretariado de Publicaciones de la Universidad de Sevilla. Sevilla 2010 628 - Planeamiento urbano en vigor 2005, y otra versión más elaborada del Planeamiento urbanístico vigente 2009 y en tramitación en formato digital. - Modelo Digital del Terreno 25m procedente del IGN - Mapa SIOSE (Sistema de Información de Ocupación del Suelo Español) de la Comunidad de Madrid año de referencia 2005 a escala 1:25.000 Fase 2: Programación y Adquisición de las imágenes de satélite Las imágenes utilizadas en el proyecto han sido adquiridas por el satélite SPOT 5, en modo multiespectral 10 m y pancromática 2.5 m, sobre toda la Comunidad de Madrid. Se han utilizado dos series de imágenes correspondientes a verano 2008 y verano 2009. Las imágenes 2008 se seleccionaron del archivo de imágenes SPOT5 y Quickbird y se han utilizado para el diseño y generación de la base de datos cartográfica. Las imágenes 2009 se adquirieron mediante programación específica, y se han utilizado para la actualización de la base de datos cartográfica. También se han adquirido imágenes del satélite Quickbird, en modo multiespectral 2.4 m y pancromática 0.6 m, en una zona piloto de 50 km² en fechas similares a las de SPOT5 (10 de Agosto 2008, 13 de julio 2009). La distribución de imágenes y fechas de adquisición para las coberturas de verano 2008 y 2009 se presenta en la siguiente figura Figura 1. Distribución de imágenes para la cobertura SPOT5 de verano 2008 y verano 2009 (en rojo zona piloto Quickbird) Fase 3: Diseño de la base de datos cartográfica La definición y elaboración de una base de datos cartográfica, que integre la evolución temporal de las zonas urbanas en base a la consolidación de los planes urbanísticos, constituye el objetivo principal del presente proyecto. El diseño de la base de datos, definida por la leyenda de monitorización de los cambios, responde a la capacidad de discriminación de las imágenes SPOT5 en las diversas categorías de interés. La base de datos cartográfica definitiva consta de las siguientes 6 capas: - Estratos - Ámbito urbano Tecnologías de la Información Geográfica: la Información Geográfica al Servicio de los Ciudadanos. Secretariado de Publicaciones de la Universidad de Sevilla. Sevilla 2010 629 - Recinto urbano - Subestrato (verde) - Ámbito verde - Recinto verde Estratos. Esta capa delimita las zonas con comportamientos homogéneos, dentro del ámbito territorial (ver Figura 2). Se han definido los siguientes 6 estratos: 1. Suelo consolidado integra el tejido urbano consolidado. Constituido por las edificaciones estables con cierta antigüedad y zonas donde no hay obras. 2. Suelo en proceso de consolidación: zona de obras, suelen ser amplias urbanizaciones bien en los suburbios o en pleno centro urbano. 3. Agrícola secano: definido a partir del estrato cultivo del mapa de ocupación SIOSE. 4. Agrícola regadío: definido a partir del estrato cultivo del mapa de ocupación SIOSE. 5. Forestal: definido a partir del estrato forestal del mapa de ocupación SIOSE. 6. Otros: resto de zonas: zonas rocosas, embalses etc.. Figura 2. Estratos Ámbito urbano: zonas con un grado de consolidación homogéneo, dentro del estrato suelo en proceso de consolidación (ver Figura 3). Cada uno de ellos, lleva una información asociada integrada en la base de datos mediante los siguientes atributos. 1. Urbanización o Trama Urbana existente. - Urbanización: Amplias urbanizaciones en construcción, en las que se pueden discriminar objetos (edificios, suelo, viales etc.) y localizadas generalmente en los suburbios. - Trama: Zonas generalmente de poca superficie donde no se discriminan objetos. Se pueden encontrar dentro o fuera de la masa urbana. 2. Estado: hace referencia a los diferentes estados de ejecución de las obras, en que se puede encontrar cada ámbito. Se contemplan las siguientes fases - En proceso de urbanización: los viales están sin asfaltar - Urbanización finalizada: los viales ya están asfaltados y aún no se ha empezado a edificar Tecnologías de la Información Geográfica: la Información Geográfica al Servicio de los Ciudadanos. Secretariado de Publicaciones de la Universidad de Sevilla. Sevilla 2010 630 - En proceso de edificación: ya se ha empezado a edificar - Edificación finalizada: la edificación se encuentra finalizada. Este estado no existe en los datos del año 2008. Podría existir a partir de 2009. Figura 3. Ámbitos urbanos Recinto urbano: son los elementos de mayor detalle dentro los ámbitos urbanos y de la base de datos cartográfica (ver Figura 4). Se presentan las siguientes clases: - Edificio: - Suelo pendiente de ejecución: todo aquello que no es edificio ni vial - Viales asfaltados - Viales no asfaltados Figura 4. Recintos urbanos Subestrato (verde): integra la vegetación que inunda los estratos suelo consolidado y suelo en proceso de consolidación y se calcula a partir de los índices de vegetación. Tecnologías de la Información Geográfica: la Información Geográfica al Servicio de los Ciudadanos. Secretariado de Publicaciones de la Universidad de Sevilla. Sevilla 2010 631 Ámbito verde: está constituido por dos clases ámbitos: Los campos de golf y los parques y jardines. Recinto verde: Constituidos por dos clases de recintos verdes: Árbol y césped Fase 4 Proceso de imágenes La metodología de trabajo elaborada para el proyecto se estructura en las tres siguientes categorías de procesos. Cada una de ellas integra todos aquellos procesos en cadena que hay que realizar para obtener un objetivo específico 1. Procesado básico 2. Procesos específicos de seguimiento urbano 3. Procesos específicos de delimitación de la zona verde. 4. Metodología de años posteriores 5. Verificación de metodología con imágenes Quickbird 1. Procesado básico: integra los tratamientos previos que hay que realizar sobre las imágenes de satélite para que estén disponibles para su utilización en los procesos de clasificación. Se consideran los siguientes tratamientos previos: - Control de calidad numérico y visual de las imágenes adquiridas. - Ortorrectificación realizado por triangulación en bloque (LPS), que presenta la ventaja de aportar una solución más robusta al modelo matemático permitiendo obtener mayores precisiones que en las realizadas por escena individual. - Normalización relativa incluye correcciones atmosféricas y radiométricas que permitan comparar imágenes de diferentes fechas y trabajar en la generación de índices de vegetación. - Fusión, proceso que combina el carácter espectral con el mayor detalle o resolución espacial de las bandas pancromáticas, obteniendo un producto que integra ambos potenciales. Se ha utilizado el método de fusión SRF acrónimo de Spectral Response Function, diseñado en la Universidad Pública de Navarra, y basado en las curvas de respuesta espectral de los sensores de SPOT5. - Mosaico, realización para cada periodo de estudio de una imagen continua formada por el conjunto de imágenes necesarias para cubrir el ámbito territorial. 2. Procesos específicos de seguimiento urbano orientados a la identificación y clasificación de los recintos urbanos para su posterior integración en la base de datos cartográfica, incluye los siguientes procesos: - Estratificación, delimitación de zonas con un comportamiento urbano y de ocupación del suelo homogéneo, a apartir del Mapa SIOSE y de las coberturas de imágenes de satélite 2005 (fecha de referencia del SIOSE) y 2008 (fecha del proyecto). Este proceso ha requerido el desarrollo de herramientas específicas para explotar la compleja información que contiene el SIOSE, estratificar el territorio, y actualizar esta estratificación al año 2008 con técnicas de fotointerpretación y de detección de cambios usando la herramienta DELTA CUE. - Segmentación de imágenes que tiene como objetivo identificar los recintos urbanos que constituyen los ámbitos, para clasificarlos en la siguiente fase según su categoría (edificio, suelo pendiente de ejecución, vial asfaltado, vial no asfaltado), para posteriormente integrarlos en la base de datos cartográfica. Se distinguen dos actuaciones diferentes (ver Figura 5):  ámbitos a clasificar con catastro adecuado  ámbitos en los que no existe catastro adecuado - Clasificación orientada a objetos: técnica de clasificación avanzada que se realiza sobre los objetos y tiene en cuenta la distribución espacial existente en la imagen (forma, textura y propiedades espectrales de los Tecnologías de la Información Geográfica: la Información Geográfica al Servicio de los Ciudadanos. Secretariado de Publicaciones de la Universidad de Sevilla. Sevilla 2010 632 objetos que la forman). Se ha realizado utilizado la herramienta Feature Analyst de Erdas que parte de diferentes patrones de búsqueda en función del elemento a representar y se basa en técnicas de aprendizaje, utilizando procesos iterativos e interactivos. Los resultados se revisan por fotointerpretación. - Detección de cambios se utiliza para la actualización y delimitación de los estratos a fecha 2008, utilizando la herramienta Delta Cue (ERDAS) (Spot 2005-2008), que permite realizar cálculos comparativos entre imágenes de fechas diferentes con el fin de valorar los cambios acaecidos en el territorio entre ambas fechas. Integra un conjunto de algoritmos basados en la comparación entre las imágenes de trabajo, a partir de combinaciones de sus bandas originales y/o sintéticas. Figura 5. Ejemplos de Clasificación orientada a objetos con catastro adecuado (imagen superior) y no adecuado (imagen inferior), sobre imagen SPOT5 fusionada 2.5m. 3. Procesos específicos de la delimitación de la zona verde engloba las zonas verdes urbanas o jardines, las zonas agrícolas y las zonas naturales. Los procesos para su seguimiento son: - Cálculo del NDVI. Los indices de vegetación se basan en el comportamiento espectral característico que presenta la vegetación, y en general se definen como relaciones sencillas calculadas entre las bandas roja e infrarroja cercana, ofreciendo una medida cuantitativa de su estado. La delimitación de la superficie verde se ha realizado a partir del Indice de Vegetación Normalizado (NDVI), que es el índice más ampliamente extendido, y que se define como la relación normalizada entre las reflectividades de las bandas infrarroja (ρIRC) y roja (ρR). RIRC RIRC NDVI      A partir del mosaico de reflectancias de las imágenes se ha calculado el NDVI para el ámbito de estudio. - Definición de umbrales de actividad vegetativa para cada estrato, se establece el valor numérico del NVDI en la imagen a partir del cual se considera que ese píxel es vegetación, y se ha estimado dentro de cada estrato, teniendo en cuenta sus características (histogramas de valores de NDVI, inspección visual). En cada estrato se han determinado los siguientes rangos: el subestrato verde que inunda el suelo consolidado y el Suelo en proceso de consolidación, (no vegetación, NDVI medio y NDVI alto); Suelo Agrícola secano y el Suelo Agrícola regadío (No cultivo y cultivo en pie); y Forestal ( no vegetación, NDVI medio y NDVI alto). Tecnologías de la Información Geográfica: la Información Geográfica al Servicio de los Ciudadanos. Secretariado de Publicaciones de la Universidad de Sevilla. Sevilla 2010 633 - Generación de subestrato verde: Segmentación. Clasificación de árbol y césped: Integra la vegetación (NDVI medio + NDVI alto) que inunda los estratos suelo consolidado y suelo en proceso de consolidación, y está constituido por ámbitos verdes (parques y jardines y campos de golf) que a su vez se clasifican mediante procesos de segmentación y clasificación con la herramienta Feature Analyst en recintos verdes de árbol y césped. 4. Metodología de años posteriores. El proceso de imágenes de años posteriores tiene como objetivo actualizar la base de datos cartográfica elaborada el primer año. La metodología seguida queda estructurada igual que el primer año. El proceso básico de imágenes y los procesos específicos de la delimitación de la zona verde son idénticos. Sin embargo los procesos específicos de seguimiento urbano se centran en la actualización de la estratificación, en concreto del estrato suelo en proceso de consolidación, mediante la localización de nuevos ámbitos urbanos. Los nuevos ámbitos siguen el mismo proceso de clasificación que el primer año, mientras que los ámbitos existentes se procesan con técnicas de detección de cambios. Los resultados obtenidos actualizan la Geodatabase a 2009. En 2010 se harán dos nuevas actualizaciones con las imágenes de principio de primavera y final de verano. 5. Verificación de metodología con imágenes Quickbird. Con el fin de servir de contraste y control de calidad de la metodología desarrollada del proceso, se han adquirido imágenes del satélite Quickbird, en modo multiespectral 2.4 m y pancromática 0.6 m, en una zona piloto, Rivas-vaciamadrid, de 50 km² en fechas similares (10 de Agosto 2008, 13 de julio 2009). La metodología aplicada a Quickbird ha sido la misma que la aplicada a SPOT aunque adaptada a sus características espaciales. De la verificación realizada, se concluye: - Los resultados obtenidos con Quickbird son análogos a los obtenidos con SPOT. - Se considera que la metodología desarrollada para SPOT es satisfactoria, y queda avalada por las pruebas realizadas con Quickbird. Fase 5: Estimación de la demanda de agua El objetivo de esta fase es calcular la estimación de la demanda de agua correspondiente al consumo de la consolidación de la zona urbana y las zonas verdes. La hipótesis de partida para la estimación de la demanda de agua en zona urbana como producto derivado y complementario del seguimiento del desarrollo urbano en las zonas en proceso de consolidación se apoya en el conocimiento del consumo final previsto y el conocimiento de la superficie en planta a construir de los diferentes ámbitos de los planes urbanísticos. Combinando esta información con los resultados del proyecto, que proporciona la superficie construida en planta a fecha de adquisición de las imágenes, se obtendría la demanda actual esperada. La estimación de la demanda de agua en zonas verdes se calcula en términos de necesidad de riego (NRmes) a partir de la ecuación RiegoEficiencia PET NR mesmesC mes  )( En donde Pmes es la precipitación acumulada mensual y ETC(mes) es la evapotranspiración mensual de la zona verde y se estima a partir de la Evapotranspiración de referencia ETo calculada con los datos obtenidos de las estaciones agroclimáticas de las respectivas zonas climáticas corregido por un factor Kc proporcionado por la FAO y mediante la formula 00)( KETET mesC  Atendiendo a las condiciones climáticas la comunidad de Madrid, esta se ha dividido en tres zonas: la sierra, zona transición y la vega, estimándose para cada una a de ellas la evapotranspiración de referencia a partir de datos de estaciones meteorológicas. Las necesidades anuales para cada zona se han estimado a partir de las necesidades de riego mensuales sobre las zonas verdes de césped y árbol.