La fotografía aérea en España y su aplicabilidad al seguimiento y la estimación de la erosión por flujo concentrado

Tecnologías de la Información Geográfica: la Información Geográfica al Servicio de los Ciudadanos. Secretariado de Publicaciones de la Universidad de Sevilla. Sevilla 2010 214 Jariego García, A., Gómez Gutiérrez, A., Lavado Contador, F., Schnabel, S., Pulido Fernández, M., García Martín, R. (2010): La fotografía aérea en España y su aplicabilidad al seguimiento y la estimulación de la erosión por flujo concentrado. 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. 214-221. ISBN: 978-84-472-1294-1 LA FOTOGRAFÍA AÉREA EN ESPAÑA Y SU APLICABILIDAD AL SEGUIMIENTO Y LA ESTIMACIÓN DE LA EROSIÓN POR FLUJO CONCENTRADO Ángel Jariego García1, Álvaro Gómez Gutiérrez1, Francisco Lavado Contador¹, Susanne Schnabel¹, Manuel Pulido Fernández1 y Ramón García Marín1 (1) Grupo de Investigación GeoAmbiental (GIGA), Área de Geografía Física, Universidad de Extremadura. Avda. de la Universidad s/n, 10071, Cáceres. [email protected] RESUMEN Son numerosos los trabajos que muestran la creciente preocupación por los procesos de erosión hídrica por flujo concentrado en los países mediterráneos en los últimos años. Los métodos y técnicas existentes para el seguimiento y cuantificación de la erosión hídrica por flujo concentrado son muy diversos, resultando de especial interés, relevancia y potencial aquellos relacionados con las modernas tecnologías geoespaciales (sistemas de posicionamiento global diferenciales, equipos laser terrestres o aerotransportados, fotogrametría digital aérea y terrestre, etc.). Sin embargo, la utilización de dichas técnicas en numerosas ocasiones se encuentra limitada por la fecha de aparición del instrumental, por tanto, algunas fuentes históricas son todavía necesarias para comprender la evolución a medio y largo plazo de las formas de erosión por flujo concentrado. Sin embargo, en ocasiones, la localización de las fotografías aéreas existentes para una determinada zona puede resultar laboriosa y tediosa lo que da lugar a grandes pérdidas de tiempo en los proyectos y equipos de investigación. Por todo ello, los principales objetivos del presente trabajo son i) presentar una guía respecto al material fotográfico aéreo disponible para España, ii) resumir sus características principales y iii) analizar su utilidad para el seguimiento y cuantificación de la erosión ocasionada por flujo concentrado. Palabras Clave: Fotografías y ortofotografías aéreas, regueros, cárcavas efímeras, cárcavas permanentes. . ABSTRACT Erosion produced by concentrated water flow has been highlighted as an important soil degradation phenomenon in the Mediterranean catchment. Several kinds of methodologies and techniques have been used indeed in order to monitor and quantify erosion produced by concentrated flow, mainly those related with modern geospatial technologies (DGPS, LIDAR, LTS, aerial and terrestrial photogrammetry, etc.). However the time scale of the studies based exclusively on modern techniques is constrained by the date of appearance of those techniques. Therefore, some historical sources are still necessary in gully erosion studies (medium, short time scale). Sometimes, however, finding these documents is laborious and tedious, being the researchers forced to spend a lot of time in localizing and acquiring it. Therefore, the main objectives of this work are i) to provide a guidance regarding the available aerial photographs and orthophotographs for rill and gully erosion studies in Spain and covering the whole country, ii) to summarize the main characteristics of these materials and iii) to analyze the suitability of using these materials for soil loss monitoring and assessment produced by concentrated flow. Key Words: Aerial photography and orthophotography, rills, ephemeral gullies and permanent gullies. Tecnologías de la Información Geográfica: la Información Geográfica al Servicio de los Ciudadanos. Secretariado de Publicaciones de la Universidad de Sevilla. Sevilla 2010 215 INTRODUCCIÓN La erosión ocasionada por flujo concentrado ha sido señalada como un importante factor de degradación del suelo en los países del Mediterráneo. Como resultado, durante los últimos años se han desarrollado numerosos trabajos relacionados con la erosión ocasionada por regueros (e.g. Torri et al. 1987), cárcavas efímeras (e.g. Capra et al. 2009) y cárcavas permanentes (e.g. Vandekerckhove et al. 2000). En España se ha experimentado un proceso similar en el número de investigaciones, reflejándose así, la creciente preocupación por los procesos de erosión por regueros y cárcavas, sus tasas, consecuencias y umbrales: Benito et al. (1991), Faulkner (1995), Casalí et al. (1999), Nogueras et al. (2000), Martínez-Casasnovas et al. (2003a), Valcárcel et al. (2003), Santisteban et al. (2005), Gómez Gutiérrez et al. (2009), etc. Son numerosos los métodos y técnicas que han sido utilizados para el seguimiento y cuantificación de la erosion por regueros y cárcavas, principalmente evidencias sedimentológicas y botánicas (e.g. Vandekerckhove et al. 2001), fuentes históricas (e.g. Stankoviansky 2003) y levantamientos topográficos con diferentes equipos: estacas o agujas de erosión (e.g. Crouch 1990) y teodolito tradiconal o sistemas de posicionamiento global diferenciales (GPS; Wu & Cheng 2005). Durante los levantamientos topográficos, se han utilizado diferentes esquemas espaciales, tales como los estudios seriados de secciones transversales del cauce (Schnabel & Gómez Amelia 1993), seguimiento del retroceso de la cabecera/s (Vandekerckhove et al. 2003). En los últimos años, han sido publicados algunos trabajos en los que se emplean técnicas fotogramétricas (e.g. Marzolff & Poesen 2009) y sensores láseres aerotransportados (i.e. LIDAR; James et al. 2007). Durante los próximos años, la toma de datos se centrará en las nuevas tecnologías de captura y probablemente aparezcan publicaciones en las que se utilicen datos adquiridos mediante laser escáner terrestre (LTS). Sin embargo, la escala temporal de los trabajos que se basan de forma exclusiva en las nuevas tecnologías, se encuentra limitada por la fecha de aparición de esas técnicas. Por lo tanto, son todavía necesarias las fuentes históricas en los estudios de erosión por flujo concentrado. En esta línea, la existencia de fotografías y ortofotografías aéreas actuales e históricas presenta un importante valor científico. Por otra parte, dichos documentos nos permiten conocer la apariencia y configuración del paisaje en la fecha en que fueron tomadas, ayudándonos a establecer relaciones entre las características de los elementos creados por el flujo (longitud, área, volumen, morfología, etc.) y el uso del suelo y la cubierta vegetal. La existencia de este material y el desarrollo de las modernas tecnologías de la información espacial (teledetección, sistemas de información geográfica, fotogrametría, GPS, LIDAR, LTS, etc.) han favorecido el uso de las fotografías y ortofotografías en los estudios de erosión, y especialmente en la erosión por cárcavas (Martínez-Casasnovas 2003). Los regueros y las cárcavas efímeras y permanentes son elementos lineales en el paisaje, que generalmente presentan muros verticales y con material en el lecho que difiere en textura y color del material que se encuentra sobre las márgenes en las zonas contiguas. Por lo tanto, una cárcava es fácilmente reconocible desde el aire. Estas características permiten cartografíar en una ortofotografía el área afectada por los procesos de erosión por flujo concentrado. En ocasiones incluso es posible realizar una reconstrucción tridimensional del canal mediante técnicas fotogramétricas y por lo tanto, calcular el volumen de material evacuado por el flujo. Por otra parte, la utilización de fotografías aéreas representa una alternativa al trabajo de campo que generalmente requiere una mayor inversión (Watson & Evans 1991). Existe una amplia colección literaria donde se describe el uso de series multi-temporales de fotografías aéreas para estimar la dinámica espacio-temporal del acarcavamiento: Watson and Evans (1991), Nachtergaele and Poesen (1999), Martínez-Casasnovas (2003), Martínez-Casasnovas et al. (2003a), Ries y Marzolff (2003), De Luna et al. (2004), Parkner et al. (2006), Campo et al. (2007) y Gómez Gutiérrez et al. (2009). También existen ejemplos de utilización de modelos digitales del terreno obtenidos a partir de fotografías aéreas y utilizados en los estudios de erosión por cárcavas: Thorne (1986), Desmet y Govers (1996), Betts y DeRose (1999), Betts et al. (2003) y Martínez- Casasnovas et al. (2003b). Todos estos trabajos, refrendan la conveniencia de la utilización de las fotografías y ortofotografías aéreas en los estudios de erosión por flujo concentrado. Sin embargo, en ocasiones, la búsqueda de estos documentos puede resultar muy laboriosa y como consecuencia, los investigadores deben perder mucho tiempo localizando el material y adquiriéndolo. De hecho, este trabajo, es resultado de una intensa labor de búsqueda y documentación desarrollada durante los últimos años en el Grupo de Investigación Geoambiental de la Universidad de Extremadura (GIGA: http://www.unex.es/unex/grupos/grupos/giga/index_html) respecto a las fotografía y ortofotografías aéreas en España. Por lo tanto, los principales objetivos que se plantea este trabajo son i) proporcionar una guía respecto a las fotografías y ortofotografías aéreas disponibles para la totalidad del país, ii) resumir las principales características de Tecnologías de la Información Geográfica: la Información Geográfica al Servicio de los Ciudadanos. Secretariado de Publicaciones de la Universidad de Sevilla. Sevilla 2010 216 este material y iii) analizar la idoneidad de las diferentes fuentes para el seguimiento y cuantificación de la erosión originada por regueros y cárcavas. CARACTERÍSTICAS DE LAS FOTOGRAFÍAS Y ORTOFOTOGRAFÍAS DISPONIBLES Las fotografías y ortofotografías aéreas disponibles para España cubren un período de 61 años, incluyendo 8 vuelos diferentes, lo que significa un intervalo medio entre dos fotogramas consecutivos de casi 8 años (Tabla 1). Dos fondos fotográficos son conocidos como el vuelo americano, en sus versiones A y B. El primero fue llevado a cabo en 1945 por el ejército de Estados Unidos con una escala aproximada de 1:45.000. El denominado vuelo americano B fue llevado a cabo también por el ejército de Estados Unidos, con una escala mayor en esta segunda etapa (desde 1:30.000 hasta 1:35.000). Los materiales de ambos vuelos pueden ser adquiridos en el Centro Cartográfico y Fotográfico del Ejército del Aire de España (conocido como CECAF). Posteriormente (1977-1983), el IRYDA (acrónimo del antiguo Instituto para la Reforma y Desarrollo Agrario) promovió la ejecución de un vuelo con la mayor escala entre los disponibles hasta hoy día (aproximadamente 1:18.000). Más tarde, se llevaron a cabo dos vuelos con fines cartográficos en los períodos 1983-1985 y 1987-1989, con unas escalas aproximadas de 1:30.000 y 1:20.000 respectivamente. En 2002, promovido por el gobierno español, y como parte del denominado SIGPAC (SIG para el seguimiento y gestión de las ayudas agrarias de la Unión Europea. Fue elaborado como una constatación de la realidad agrícola de España. El origen de esta iniciativa fue otro SIG desarrollado en 1998-1999 para el seguimiento de los olivares en parcelas agrícolas y la gestión de las ayudas comunitarias (conocido como SIG Oleícola Español). El fondo fotográfico del SIG Oleícola será el primero que será servido como ortofotografías a través de la web, basándose su difusión en la tecnología Wep Map Services (WMS). Más recientemente, como resultado de la implantación en España de las leyes derivadas de la iniciativa europea para la información espacial (INSPIRE), el Instituto Geográfico Nacional (IGN) creó el Plan Nacional de Ortofotografía Aérea, conocido como PNOA. Tabla 1. Principales características de las fotografías-ortofotografías aéreas disponibles en España. Vuelo Fecha Escala (aprox.) o tamaño de pixel Formato Distribuidor Vuelo Americano A 1945 1:45,000 Copia digital (escala de grises) CECAF Vuelo Americano B 1956- 1957 desde 1:30,000 a 1:35,000 Copia digital (escala de grises) CECAF Vuelo IRYDA 1977- 1983 1:18,000 Copia digital o analógica (escala de grises) CNIG Vuelo Nacional TRAGSA 1983- 1985 1:30,000 Copia digital o analógica (escala de grises) CNIG Vuelo Catastral 1987- 1989 1:20,000 Copia digital o analógica (escala de grises) Gobierno de España Vuelo SIG Oleícola 1997- 1998 1.0 m Ortofotografía (escala de grises) Gobierno de España Vuelo SIGPAC 2002 0.5 m Ortofotografía (RGB) Gobierno de España Vuelo PNOA 2006 0.5 m Ortofotografía (RGB) CNIG Tecnologías de la Información Geográfica: la Información Geográfica al Servicio de los Ciudadanos. Secretariado de Publicaciones de la Universidad de Sevilla. Sevilla 2010 217 IDONEIDAD DE LAS FOTOGRAFÍAS Y ORTOFOTOGRAFÍAS AÉREAS DISPONIBLES PARA EL SEGUIMIENTO Y CUANTIFICACIÓN DE LA EROSIÓN OCASIONADA POR FLUJO CONCENTRADO Los errores posicionales en las bases de datos espaciales son bien conocidos (Chrisman 1991). Los errores en las ortofotografías están relacionados, generalmente, con la calidad y la cantidad de puntos de control utilizados durante el proceso de ortorectificación, la escala del vuelo, la topografía el área de estudio y las características técnicas de los materiales. Tradicionalmente, los cartógrafos asumen que el error cometido sobre una determinada cartografía viene dado por 0.2 mm multiplicados por el denominador del cociente que es la escala. Esta hipótesis está basada en la capacidad mínima de discriminación del ojo humano. Siguiendo este criterio, la precisión de las fotografías que se tratan en este trabajo variará de 3.6 m a 9.0 m. Sin embargo, este error puede ser reducido a 0.02 mm por el denominador de la escala cuando se emplean instrumentos ópticos de ampliación, dando lugar a precisiones que van desde los 0.36 m a los 0.90 m. Conforme a estos valores, las fotografías presentadas en el apartado anterior serían apropiadas, tan sólo, para su aplicación en grandes cárcavas permanentes o zonas de badlands. Sin embargo, en ocasiones, la localización no es el elemento que interesa a los investigadores que analizan la erosión del suelo, de forma alternativa, la longitud, el área o el volumen de los elementos resultado de los procesos erosivos son parámetros de gran interés. En esta línea, Gómez Gutiérrez et al. (2009) analizaron la calidad geométrica de gran parte de las fotografías-ortofotografías presentadas en el apartado anterior. El análisis se centro en ortofotografías de los años 1998, 2002 y 2006. Para las fotografías de los años 1945, 1956 y 1989 se llevó a cabo una digitalización con escáner fotogramétrico y posteriormente un proceso de ortorectificación. El test consistió en la comparación de longitudes y áreas de algunos elementos presentes en las fotografías (construcciones, vallados, caminos, etc.) y el valor de dichos parámetros registrados mediante la medición directa en campo. El error cuadrático medio para la medición de longitudes fue de 0.75 m con un máximo de 1.20 m para las ortofotografías de 1998, mientras que el error cuadrático medio para la medición de áreas fue de 4.67 m2, con un máximo de 15.82 m2 para las ortofotografías de 1945 (Figura 1). 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 Escala (1/x) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 RMS A (%) r = 0.44 con p = 0,28 Figura 44. Relación entre el error cuadrático medio para la medición de áreas (RMSA) sobre las ortofotografías presentadas en la tabla 1, después de Gómez Gutiérrez et al. (2009). Tecnologías de la Información Geográfica: la Información Geográfica al Servicio de los Ciudadanos. Secretariado de Publicaciones de la Universidad de Sevilla. Sevilla 2010 218 La tabla 2 muestra los resultados del análisis comparado entre el tamaño medio de diferentes formas erosivas ocasionadas por flujo concentrado y la escala, el tamaño de pixel, el intervalo temporal entre fotografías consecutivas (comparado con la escala temporal del proceso, por ejemplo, varios eventos de precipitación o semanas para los regueros y varias centurias para las zonas de badlands), la resolución radiométrica y los resultados previos del estudio llevado a cabo por Gómez Gutiérrez et al. (2009) sobre la viabilidad de las fotografías y ortofotografías aéreas en España. De acuerdo con este análisis, ninguna de las fotografías fue idónea para la estimación de la superficie afectada por regueros u otras variables relacionadas con la erosión causada por regueros (longitud o volumen). Además, el lapso temporal entre fotografías consecutivas supera la escala temporal asociada para la ocurrencia y desarrollo de regueros. Respecto a las cárcavas efímeras, sólo las ortofotografías más recientes (2002, 2006 y previsiblemente el PNOA 2008) parecen ser apropiados para su utilización. Sin embargo, el intervalo entre fotografías hace que no sean del todo apropiadas para su utilización en trabajos relacionados con la erosión por cárcavas efímeras que aparecen y desaparecen con frecuencia anual. Respecto a las cárcavas permanentes, la mayor parte de los fondos fotográficos existentes podrían ser utilizados, especialmente aquellos que presentan las mayores escalas o el menor tamaño de pixel en el caso de las ortofotografías (este es el caso de las series de los años 1977-1983, 2002, 2006 y previsiblemente 2008). Tabla 2. Idoneidad de las fotografías-ortofotografías aéreas disponibles para el seguimiento y la cuantificación de los procesos erosivos por flujo concentrado. Vuelo Fecha Regueros Cárcavas efímeras Cárcavas permanentes Badlands Vuelo Americano A 1945 Inapropiado Inapropiado Inapropiado Apropiado Vuelo Americano B 1956- 1957 Inapropiado Inapropiado Apropiado Bueno Vuelo IRYDA 1977- 1983 Inapropiado Inapropiado Bueno Excelente Vuelo Nacional TRAGSA 1983- 1985 Inapropiado Inapropiado Apropiado Bueno Vuelo Catastral 1987- 1989 Inapropiado Inapropiado Bueno Excelente Vuelo SIG Oleícola 1997- 1998 Inapropiado Inapropiado Apropiado Bueno Vuelo SIGPAC 2002 Inapropiado Inapropiado Bueno Excelente Vuelo PNOA 2006 Inapropiado Inapropiado Bueno Excelente CONCLUSIONES Un total de 8 series de fotografías y ortofotografías aéras fueron localizadas cubriendo el territorio peninsular español. Sus características son muy diversas, difiriendo en escalas, formatos y resolución. Las entidades que dispensan dichos fondos son a su vez variadas, generalmente dependientes de la administración pública española: el Centro Cartográfico y Fotográfico del Ejército Español (CECAF: http://www.ejercitodelaire.mde.es/ea/pag), el Centro Nacional de Información Geográfica (CNIG: http://www.cnig.es/) y otras agencias públicas relacionadas con la información espacial (tales como el Catastro o el Ministerio de Agricultura: http://www.catastro.meh.es/ y http://www.marm.es/ respectivamente). Ninguna de las ortofotografías resultó idónea para el seguimiento y análisis de regueros y cárcavas efímeras. Además, la resolución temporal de la serie resultó menor que la escala temporal de dichos fenómenos. La mayor parte de las fotografías y ortofotografías resultó, al menos, idónea para su uso en los estudios de cárcavas permanentes, permitiendo el seguimiento y estimación de tasas de erosión a media y larga escala temporal desde 1945. Tecnologías de la Información Geográfica: la Información Geográfica al Servicio de los Ciudadanos. Secretariado de Publicaciones de la Universidad de Sevilla. Sevilla 2010 219 AGRADECIMIENTOS La realización de este trabajo ha sido posible gracias a la aportación de los proyectos CGL2008-01215/BTE financiado por el Ministerio de Ciencia e Innovación y RITECA de la Junta de Extremadura REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Benito, G., M. Gutiérrez and C. Sancho (1991). "Erosion patterns in rill and interrill areas in badland zones of the middle Ebro Basin, (NE Spain)." Soil erosion studies in Spain, pp. 41-54. Betts, H. D. and R. C. DeRose (1999). "Digital elevation models as a tool for monitoring and measuring gully erosion." Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 1(2): 91-101. Betts, H. D., N. A. Trustrum and R. C. DeRose (2003). "Geomorphic changes in a complex gully system measured from sequential digital elevation models and implications for management." 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