Estimación de la biomasa aérea de herbáceas con sensores aerotransportados de alta resolución

Resumen

Las técnicas de teledetección son cada vez más usadas para estimar la cantidad de biomasa aérea, y por tanto para la estimación de la fijación del carbono atmosférico en el contexto del actual cambio climático. El modelado de la biomasa a partir de datos de sensores remotos permite tener información espacialmente explícita sobre los sumideros de carbono (y por tanto de su contribución a la mitigación del cambio climático), así como de las existencias de biomasa para uso como bioenergía. La posibilidad de estimación en zonas dominadas por especies herbáceas como son los pastizales se presenta como una alternativa viable debido a su gran extensión en el planeta, así como a su homogeneidad. El objetivo principal de la presente tesis fue desarrollar y validar una metodología no destructiva en la estimación de biomasa aérea en formaciones herbáceas a partir de imágenes multiespectrales procedentes de una cámara aérea digital. Para ello se desarrollaron y compararon diferentes métodos. Inicialmente se realizaron estimaciones a partir de Espectro-radiometría de campo, donde se estableció una zona de estudio sobre las que se montó el dispositivo de 30 parcelas para la estimación de biomasa aérea en campo en zonas de pastizal, para el posterior establecimiento de un modelo que relaciona las medidas de campo con la información espectral (corregida radiométricamente) de la imagen. Se analizó qué métodos estadísticos y transformaciones matemáticas eran más adecuadas en el pre-procesamiento de los datos obtenidos con un espectro-radiómetro de campo ASD Fieldspec®3. Dentro de estos métodos se encuentran las máquinas de soporte de vectores (SVM, Super Vector Machine), la regresión lineal por mínimos cuadrados parciales (PLS, Partial Least Squares) y la regresión por mínimos cuadrados (OLS, Ordinary Least Squares), así como diferentes transformaciones del espectro como Continuum Removal (CR), Savitzky y Golay (SG), Multiplicative scatter correction (MSC). El estudio se realizó teniendo en cuenta las diferentes partes de la firma espectral depurada (VNIR +SWIR1+SWIR2), Los modelos obtenidos explican hasta un 97% de la variabilidad observada, y poseen errores relativos inferiores al 7%. Por otra parte, las cámaras aéreas digitales de gran formato permiten obtener imágenes multiespectrales de elevada exactitud geométrica e información radiométrica, requiriéndose su calibración y validación para poder extraer información temática cualitativa y cuantitativa. Para la estimación de variables biofísicas como la biomasa o el contenido de carbono a partir de métodos empíricos e imágenes se requiere, por tanto, realizar una calibración radiométrica absoluta de dichas imágenes, para obtener valores de reflectancia escalada en superficie. En la presente tesis se usó una cámara aérea digital fotogramétrica de gran formato Ultracam-Xp WP. El tipo de calibración elegida se denomina empírica de línea, usándose para su desarrollo diferentes blancos de calibración, tanto fijos y "pseudo-invariantes” como móviles. Para analizar la exactitud de las estimaciones en zonas de pastizal a partir de Espectro-radiometría y a partir de 3 imágenes multiespectrales (R, G, B, NIR) de la cámara aérea digital, estableció una zona compuesta por varios blancos de calibración (móviles y fijos) próxima a las parcelas donde se desarrolló el método para la calibración radiométrica absoluta de imágenes multiespectrales. Se testaron 24 conjuntos de blancos (sets), donde se midió su reflectancia en superficie, obteniendo diferentes rectas de regresión para las diferentes bandas. Los sets que obtuvieron las rectas de calibración más exactas (R2= 0,99 en las 4 bandas (R, G, B, NIR) y un RMSE por debajo de 0,020%). fueron el set “a” y el set “mixto”. El set “total” compuesto por todos los blancos de calibración se usó de manera comparativa resultando ser idóneo cuando se usan índices de vegetación. También se analizó la robustez de los modelos testando los modelos de calibración radiométrica de las imágenes contiguas sobre la imagen central, obteniéndose resultados muy similares mediante una validación cruzada. Por último, se desarrollaron y compararon diferentes métodos para la estimación de la cantidad de biomasa aérea a partir de imágenes multiespectrales calibradas de Ultracam-Xp WP, validando finalmente las metodologías desarrolladas para la estimación de biomasa aérea. Los resultados obtenidos indican que las imágenes de esta cámara, una vez calibradas radiométricamente, son adecuadas para la estimación de la biomasa aérea herbácea. Los modelos más exactos se obtuvieron a partir de la reflectancia de las 4 bandas (R, G, B, NIR) ajustadas mediante regresión PLS, (R2=0,90; RMSE=4,096 g/m2; %RMSE=12,92%), que resultaron superiores a los modelos lineales basados en índices de vegetación (NDVI, SR, NLI, SAVI y MARAVI). Por tanto, las imágenes de Ultracam-XP WP son adecuadas para estimar biomasa aérea una vez calibradas a reflectancia en superficie, utilizando PLS y la información espectral de las 4 bandas de la imagen.