Metodología para el seguimiento multitemporal de la calidad de las aguas costeras en Andalucía a través del tratamiento de imágenes LANDSAT-TM

1 2 METODOLOGÍA PARA EL SEGUIMIENTO MULTITEMPORAL DE LA CALIDAD DE LAS AGUAS COSTERAS EN ANDALUCÍA A TRAVÉS DEL TRATAMIENTO DE IMÁGENES LANDSAT-TM. A. Femández-Palacios Ca mona y J. M. Mo ei a Madueño Se icio de E aluación de Recu sos Na u ales. Di ección Gene al de Plani icación y Pa icipación. Conseje ia de Medio Ambien e. Jun a de Andalucía. Pabellón de Nue a Zelanda. A enida de las Acacias, s/n. Isla de la Cq uja. Se illa, 41092. Tel. (95)4480217. Fax (95)4480222. J. Ojeda Zúja , E. Sánchez Rod íguez e l. Vallejo Villal a Depa amen o de Geog a ía Física y AGR. Facul ad de Geog a ía e His o ia. Uni e sidad de Se illa. C/Ma ía de Padilla, s/n. Se illa, 41004. Tel. (95)4551366. Fax (95)4551351. E-mail: zuja @obelix.cica.es RESUMEN.- En el ma co del P og ama de seguimien o de la dinámica y calidad de las aguas li o ales en Andalucía desa ollado po la Conseje ía de Medio Ambien e de la Jun a de Andalucía se engloban una se ie de expe iencias a a és de las que se p e enden es ea las posibilidades de cuan i icación de pa áme os de calidad del agua u ilizando da os de senso es emo os y omas de mues as sob e el agua. Es a comunicación p esen a una se ie de e lexiones ace ca de la posibilidad de cuan i ica los pa áme os de calidad del agua a pa i solamen e de las imágenes de sa éli e, sin dispone de mues as ecogidas simul áneamen e. Es e mé odo, mul i empo al iene indudable in e és pa a la igilancia ambien al, pe o a su ez p esen a una se ie de di icul ades a las que ambién se ha á e e encia. ABSTRACT.- This pape desc ibes wo di e en app oaches o he mul i empo al analysis o wa e quali y pa ame e s om sa elli e images. Some conclusions abou he possibili y o quan i ying wa e quali y pa ame e s om TM images wi hou "in si u" samples a e p esen ed, and some o he di icul ies a e desc ibed. 1.- INTRODUCCIÓN La Conseje ía de Medio Ambien e de la Jun a de Andalucía, como o ganismo compe en e en el con ol de e idos al li o al, iene desa ollando desde hace cua o años una se ie de abajos des inados a la de inición de una me odología que pe mi a la cuan i icación y ca og a ía de pa áme os de calidad de aguas a pa i de imágenes de sa éli e, median e un Con enio con el Depa amen o de Geog a ía Física y Análisis Geog á ico Regional de la Uni e sidad de Se illa (Ojeda Zúja e al, 1994). El obje i o undamen al es minimiza en lo posible la oma de mues as "in si u" que has a el momen o e a la única uen e de in o mación sob e la calidad de las aguas li o ales. En ealidad, el obje i o inicial y más ambicioso es in en a desa olla un algo i mo que pe mi a cuan i ica pa áme os de calidad deI agua que sea aplicable en oda la zona li o al de nues a egión y en cualquie echa. Una ez desa ollado (pa a lo cual es necesa io dispone de da os sob e es os pa áme os de calidad del agua ob enidos de mues as omadas "in si u" de o ma simul ánea a la adquisición de la imagen), se ía posible cuan i ica y ealiza ca og a ía de los di e en es pa áme os de calidad del agua en cualquie momen o sin necesidad de ealiza más campañas de mues eo "in si u", con el consiguien e aho o de iempo y simpli icación del p oceso de con ol y seguimien o de la calidad de las aguas li o ales, con la en aja añadida de p opo ciona in o mación con inua en el espacio. En la p ác ica, es e obje i o inicial es imposible de ealiza . Tal como ha quedado demos ado en nume osos abajos (Robinson, 1985), en cada zona li o al los pa áme os de calidad del agua ienden a elaciona se en e sí de o mas di e en es, in luyendo de mane a dis in a en la espues a espec al del agua, po lo que las ecuaciones de i adas pa a la cuan i icación de pa áme os de calidad del agua ienden a se especí icas y di e en es pa a cada zona. Si no se puede consegui un algo i mo uni e sal, que pa ece se una u opía, el obje i o se ía al menos de ini un algo i mo que pe mi a cuan i ica los pa áme os de calidad del agua de in e és en una zona li o al conc e a y en cualquie echa. El obje i o conc e o es en onces de ini un algo i mo mul i empo al, ya que ello ambién educi ía bas an e la necesidad que exis e has a aho a de ealiza campañas de mues eo "in si u" pa a ob ene in o mación sob e la calidad de las aguas que después pueda se ex apolada espacialmen e u ilizando una imagen adqui ida simul áneamen e. De ahí que se especi ique que se p e ende minimiza "en lo posible" la oma de mues as "in si u": se án necesa ias como pun o de pa ida pa a el desa ollo del algo i mo en cada zona li o al di e enciada, pe o no una ez que se haya encon ado la ecuación más adecuada pa a la cuan i icación de los pa áme os de calidad del agua en cada una. 3 2.- METODOLOGÍA Pa a el desa ollo del p esen e abajo se ha dispues o de in o mación p oceden e de es campañas de mues eo ealizadas en la Ría de Huel a simul áneamen e a la adquisición de imágenes po el senso TM emba cado en el sa éli e Landsa -5. Las echas, si uaciones hid odinámicas y pa áme os mues eados apa ecen en la Tabla I, aunque el p esen e abajo se cen a únicamen e en es de es os pa áme os: u bidez, sólidos en suspensión y clo o ila a, que han demos ado en abajos p e ios se los que p incipalmen e in luyen en la espues a espec al del agua en es e ipo de medios. Nº MUESTRAS ESCENA Y FECHA CONDICIONES DE MAREA RANGO DE LOS PARÁMETROS ANALIZADOS 27 TM 202-34-3 10/10/89 Al u a: 2,69 me os Coe icien e: 0,69 Di . ho a bajama : -6h 23m Sólidos susp.: 13,6-80,1 mg/l 22 TM 202-34-3 15/06/93 Al u a: 2,57 me os Coe icien e: 0,57 Di . ho a bajama : +5h 56m Tu bidez. 4,5-33,5 UT Sólidos susp.: 15,2-58,9 mg/l Clo o ila a: 1,2-32,1 ppb 39 TM 202-34-3 25/11/94 Al u a: 1,44 me os Coe icien e: 0,49 Di . ho a bajama : -1h 59m Tu bidez. 0,05-25 UT Sólidos susp.: 18,3-55,5 mg/l Clo o ila a: 2,05-105 ppb Tabla I: Da os u ilizados en el es udio La me odología empleada ha sido discu ida en abajos p e ios (Fe nández Palacios e al, 1993, 1994), po lo que aquí sólo se ha á e e encia a la cadena de p ocesamien o que se ha seleccionado inalmen e como más adecuada pa a, desa olla un algo i mo de cuan i icación de pa áme os de calidad del agua a a és de imágenes de sa éli e, que es la siguIen e: 1. Geo e e encia los pun os de mues eo a a és de un GPS de o ma simul ánea a la oma de las mues as. 2. Co ección geomé ica de la imagen de sa éli e, con polinomio de p ime g ado e in e polación adiomé ica po el mé odo del ecino más p óximo. 3. No malización adiomé ica de la imagen espec o a la imagen seleccionada como e e encia pues o que se an a u iliza en es udios mul i empo ales (López y Caselles, 1987). 4. Ex acción de los alo es digi ales de la imagen, como medias de en anas de 3x3 pixeles cen adas en el que con iene el pun o de mues eo. 5. Análisis de eg esión múl iple en e los alo es del pa áme o de calidad del agua y los ex aídos a pa i de la imagen en odas las bandas excep o la é mica. Así se ob iene la ecuación que nos pe mi e cuan i ica el pa áme o de calidad del agua en cues ión a pa i de los alo es digi ales de la imagen. F en e a una aplicación que podemos llama "mono empo al", que consis e en de i a una ecuación pa a cada echa y pa áme o, y que iene como p incipal apo ación pe mi i la ex apolación espacial a pa i de los da os ob enidos de las mues as, con la cual se consiguen esul ados óp imos (coe icien es de co elación muy ele ados y e o es empí icos educidos), la aplicación mul i empo al se puede ealiza de dos o mas di e en es, cada una de ellas con sus en ajas y limi aciones: 1. Ecuación de i ada a pa i de los da os de una sola echa (Choubey y Sub amanian, 1992). Es a ap oximación me odológica consis e simplemen e en aplica la ecuación de cuan i icación de los pa áme os de calidad del agua de i ada a pa i de los da os de una expe iencia conc e a a una imagen de o a echa p e iamen e no malizada. Al dispone de da os omados "in si u" pa a odas las echas, exis e la posibilidad de comp oba empí icamen e los esul ados que p oduce es a ap oximación me odológica, lo cual es su p incipal en aja. 2. Ecuación de i ada a pa i de los da os de odas las echas. En el análisis de eg esión se incluyen los alo es de los pa áme os de calidad del agua y los ex aídos de las imágenes en odas las echas, dando como esul ado una ecuación única pa a cada pa áme o, aplicable en odas las echas. Su p incipal en aja es que, al in oduci condiciones más a iadas, la ecuación esul an e no es especí ica pa a una sola si uación hid odinámica, consiguiendo así minimiza el e ec o de la a iabilidad ambien al. O a impo an e en aja es que se dispone de más alo es pa a ealiza el análisis de eg esión, po lo que los esul ados, aunque se espe a que sean menos p ecisos, son más iables. 4 3.- RESULTADOS Y DISCUSIÓN En es e ipo de abajos, los esul ados que se ob ienen y que pe mi en alida su u ilidad son básicamen e de dos ipos: 1. Resul ados es adís icos o numé icos, que p opo cionan po una pa e una es imación de la ue za de la elación que exis e en e los alo es digi ales de las imágenes y los alo es de los pa áme os de calidad del agua y po o a una es imación del e o en la cuan i icación de los pa áme os de calidad del agua que se in oduce median e el uso de las ecuaciones p edic i as. 2. Resul ados g á icos: a las imágenes p e iamen e a adas y con e idas en mapas de los di e en es pa áme os de calidad del agua, se les pueden supe pone los alo es eales de dichos pa áme os en cada uno de los pun os de mues eo pa a e alua la p ecisión con que las ecuaciones son capaces de es ima los, así como la dis ibución espacial de los e o es. Se discu i án en p ime luga los esul ados del p ime mé odo mul i empo al, y pos e ionnen e los que se consiguen al de i a una única ecuación a pa i de los da os de odas las echas. 3.1.- Ecuación de i ada a pa i de los da os de una sola echa. En gene al, an o en los esul ados numé icos (Tabla II) como en los g á icos (Figu a 1, colo ) se obse a un desacue do mucho mayo con los da os eales que el que se suele ob ene en los abajos mono empo ales, lo cual e a de espe a desde el momen o en que los da os de la p opia imagen no han in e enido en el desa ollo de las ecuaciones de cuan i icación. Aún así, de la compa ación de los esul ados ob enidos en las di e en es combinaciones ecuación-imagen se pueden ob ene algunas conclusiones, como es la indudable in luencia de las condiciones hid odinámicas de las di e en es echas. Se obse a que el e o numé ico y espacial es meno en e las imágenes del 89 y 93 que cuando en an en el p oceso los da os del 94. Al se simila es los angos de los pa áme os en las es echas, el ac o que pa ece condiciona ese di e en e compo amien o son las condiciones hid odinámicas, especialmen e la ase y el coe icien e de ma ea, que e an muy simila es los días 10/10/89 y el 15/06/93, y bas an e dis in os pa a el 25/11/94 (Tabla I). PARÁMETRO FECHA IMAGEN FECHA PARA LA QUE SE DERIVA LA ECUACIÓN ERROR EMPÍRICO Sólidos en suspensión 10/10/89 15/06/93 Máximo: 18,3 mg/l Medio: 8,8 mg/l Sólidos en suspensión 15/06/93 25/11/94 Máximo: 21 mg/l Medio: 9,19 mg/l Clo o ila a 15/06/93 25/11/94 Máximo: 24 ppb Medio: 10 ppb Tu bidez 15/06/93 25/11/94 Máximo: 20,1 UT Medio: 14 UT Tabla II: Resul ados de la p ime a ap oximación mul i empo al: algunos ejemplos de los e o es ob enidos al aplica a una imagen las ecuaciones de i adas pa a o a echa. Como conclusión, se obse a que los esul ados que p oduce es a ap oximación me odológica son in e io es a los que p opo ciona la mono empo al. Sin emba go, como mé odo pa a el seguimien o de la calidad de las aguas li o ales p esen a la en aja e iden e de no necesi a la ecogida de mues as de agua simul ánea a la adquisición de la imagen. Lo que sí pa ece se impo an e es aplica a cada imagen una ó mula que haya sido de i ada pa a una si uación hid odinámica pa ecida a la einan e en el momen o de su adquisición, po lo que es posible que no bas e con desa olla una ecuación pa a cada zona li o al, sino que sea necesa io desa olla una pa a cada zona y cada una de las si uaciones hid odinámicas más ípicas en ella. Po o a pa e, como mé odo pa a la alidación de es e ipo de algo i mos pa ece óp imo, ya que pe mi e una comp obación o almen e empí ica de los esul ados. 5 3.2.- Ecuación de i ada a pa i de los da os de odas las echas. Los esul ados numé icos, an o los de i ados del análisis es adís ico (coe icien e de co elación y e o s anda d de la es imación) como los ob enidos de la comp obación empí ica a pa i de la aplicación de las ecuaciones a pun os de las imágenes que no ue on u ilizados en el análisis de eg esión, apa ecen en la Tabla III. Una mues a del ipo de ecuación esul ados g á icos que se han ob enido apa ece en la Figu a 2 (colo ). Como e a de espe a , los coe icien es de co elación descienden espec o a los que se ob enían en la ap oximación mono empo al, ya que se in oducen alo es p oceden es de si uaciones di e en es. Sin emba go, esa in oducción de más alo es iene a su ez el e ec o hace más es able la ecuación. El coe icien e de co elación más al o se consigue pa a la clo o ila, un pa áme o que p esen aba ambién una co elación muy al a con los da os de la imagen pa a cada una de las echas que in e ienen. En el o o ex emo se si úan los sólidos en suspensión, cuyos coe icien es de co elación con los da os de las imágenes po sepa ado e an muy a iables. FECHAS QUE INTERVIENEN EN LA ECUACIÓN PARÁMETRO RESULTADOS 10/10/89 15/06/93 25/11/94 Sólidos en suspensión Coe . de co elación = 0,68 E o s anda d = 8,09 E o empí ico máximo = 8,90 E o empí ico medio = 4,70 15/06/93 25/11/94 Clo o ila a Coe . de co elación = 0,85 E o s anda d = 8,60 E o empí ico máximo = 13,90 E o empí ico medio = 7,50 15/06/93 25/11/94 Tu bidez Coe . de co elación = 0,78 E o s anda d = 4,14 E o empí ico máximo = 5,91 E o empí ico medio = 3,21 Tabla III: Resul ados mul i empo ales: ecuaciones de i adas u ilizando los da os de odas las echas. Las ecuaciones de i adas pa a la cuan i icación de cada uno de los pa áme os de calidad del agua a pa i de los da os de odas las imágenes son las siguien es (NDi hace e e encia a los alo es digi ales de la imagen, p e iamen e no malizada, en la banda i): SS(mg/I)= 33.7026 + 3.2425ND3 - 1.1793ND1 + 1.5770ND4. Ca(ppb)= -206.318 + 3.747ND1 + 3.014ND2 + 3.732ND7 + 4.657ND5 - 2.253ND3. TU(UT)= -159.176 + 4.538ND1 - 3.541ND3 + 3.153ND7 - 2.042ND5. De la obse ación de los esul ados g á icos ob enidos de aplica es as es ecuaciones a las es imágenes (de los que un ejemplo apa ece en la Figu a 2), podemos ob ene una se ie de conclusiones: - Respec o a los sólidos en suspensión, la aplicación de es a ó mula mul i empo al pa ece p oduci los mejo es esul ados sob e la imagen del 94, en la que la dis ibución eal y la es imada a pa i de la ó mula coinciden bas an e bien. La azón de es e mayo ajus e en el 94, cuya si uación hid odinámica es muy di e en e a la de las o as dos echas, es p obablemen e que en el cálculo de la ecuación p edic i a han pa icipado bas an es más pun os de es a echa que de ninguna o a, ya que la ecogida de mues as ue más exhaus i a en es a expe iencia. - En cuan o a la clo o ila a, la máxima coincidencia en e los alo es es imados po la ecuación y los eales en los di e en es pun os de mues eo se ob iene en la imagen del 93. Ello se debe p obablemen e a la mayo elación que mues a en es a echa la clo o ila a con la espues a espec al del agua ( =0,92 en e =0,73 pa a la imagen del 25/11/94). 6 - En lo que se e ie e a la u bidez, el mejo ajus e en e los alo es es imados median e la ecuación mul i empo al y los alo es eales pa a los pun os de mues eo se alcanza en la imagen co espondien e a la expe iencia del 25/11/94. La azón de es e mayo ajus e es p obablemen e la misma que en el caso de los sólidos en suspensión: el mayo peso ela i o de los pun os de es a echa en el cálculo de la ecuación p edic i a. Como conclusión se puede deci que, aunque los esul ados son peo es que los ob enidos pa a la ap oximación mono empo al (Fe nández Palacios e al, 1993), mejo an cla amen e los de la ap oximación mul i empo al con ecuaciones de i adas pa a una sola echa. Además, si bien has a aho a no han pe mi ido la cuan i icación sin u iliza da os de mues eos simul áneos a la adquisición de las imágenes, es a ó mula, de i ada incluyendo di e en es si uaciones hid odinámicas pod ía p oduci esul ados acep ables al aplica la a echas cuyos alo es no hayan in e enido en el cálculo de la ecuación. 4.- CONCLUSIONES - El análisis de los esul ados de las expe iencias lle adas a cabo con i man la ope a i idad de la u ilización de las imágenes Landsa TM en el seguimien o de pa áme os de calidad del agua con ca ác e mul i empo al. - De las dos ap oximaciones aquí es udiadas ha quedado demos ada (con las ese as p opias del escaso núme o de casos analizados) la mayo p ecisión de las es imaciones cuando se u ilizan ecuaciones de i adas a pa i de los da os de a ias expe iencias cuyas imágenes han sido no malizadas. - Desde el pun o de is a me odológico pa ece cla o que las ecuaciones se es abilizan y educen no ablemen e los e o es cuando se calculan a pa i de un núme o ele ado de pun os. En es e sen ido se aconseja ecoge más de 30 pun os en cada expe iencia. - Como u u as líneas de abajo pa a el desa ollo de es a me odología se plan ea ealiza un análisis mucho más exhaus i o de la iabilidad de ambas ap oximaciones a pa i de la ealización de nue as expe iencias, incluyendo o as á eas del li o al andaluz que pe mi an alidaciones más p o undas median e la comp obación empí ica con pun os no u ilizados en las eg esiones que se án u ilizados pa a e la cohe encia cuan i a i a y espacial de las es imaciones. Igualmen e se sugie e la posibilidad de es udia mé odos más iables de no malización de las imágenes y es ablece ecuaciones ap opiadas pa a cada si uación es acional (ecuaciones de e ano, in ie no, e c.) que ayuden a minimiza los e o es. 7 5.- REFERENCIAS Choubey, V. K. and Sub amanian, V. 1992. Es ima ion o suspended solids using Indian Remo e Sensing Sa elli e-1A da a: a case s udy om Cen al India. In e na ional Jou nal o Remo e Sensing, 13: 1473-1486. 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(La ecuación empleada pa a la cuan i icación ha sido de i ada a pa i de los da os de las campañas ealizadas el 10/10/89, 15/06/93 y 25/11/94) (C. 30)