Resumen de Remote sensing time series analysis to assess vegetation dynamics at different scales
Laura Recuero Pavón
La dinámica de la vegetación juega un papel muy importante en las interacciones del clima con la superficie de la Tierra, por lo que su investigación ha generado un creciente interés durante las últimas décadas. Un mejor conocimiento de la estacionalidad de la vegetación y su variabilidad podría proporcionar información valiosa para desarrollar políticas ambientales apropiadas y mejorar las predicciones climáticas y la gestión sostenible de la vegetación natural y las tierras agrícolas.
La teledetección se ha convertido en una herramienta clave para evaluar la dinámica de la vegetación a diferentes escalas temporales y espaciales cubriendo grandes áreas. La información espectral adquirida por los sensores se puede resumir en los denominados índices de vegetación basados en la combinación de los valores de reflectancia a distintas longitudes de onda, entre ellos, el Índice de Vegetación de Diferencia Normalizada (NDVI) ha sido ampliamente utilizado para el seguimiento de la vegetación.
El principal objetivo de esta tesis es evaluar la dinámica de la vegetación en términos de la regularidad del ciclo estacional analizando las series de tiempo de NDVI. Se utilizó un enfoque estadístico en los dominios temporal y espectral mediante la función de autocorrelación y el periodograma respectivamente. Con base en estas dos herramientas matemáticas, se propusieron varios indicadores de periodicidad con el fin de cartografiar y evaluar diferentes aspectos de la dinámica de la vegetación. Los objetivos específicos fueron: (1) desarrollar una metodología robusta y operativa para evaluar la ocurrencia y repetición de barbechos en áreas agrícolas de secano de la España peninsular; (2) evaluar la estacionalidad de la vegetación a escala global a partir de indicadores cuantitativos y su relación con el clima y (3) evaluar los cambios en la estacionalidad de la vegetación y sus relaciones con el clima y las actividades humanas. Para cartografiar los diferentes patrones temporales del uso del barbecho a escala nacional se utilizaron series de tiempo MODIS a resolución espacial moderada. Las series de tiempo AVHRR NDVI con menor resolución espacial se emplearon para analizar la estacionalidad de la vegetación a escala global.
El uso del enfoque estadístico con series de tiempo de teledetección largas como las proporcionadas por los sensores MODIS y AVHRR hizo posible obtener resultados robustos de manera espacialmente continua. En particular, en el primer estudio, la integración de los coeficientes de autocorrelación especifícos a los retardos de uno, dos y tres años en un modelo random forest permitió identificar con más de un 80% de precisión diferentes patrones temporales del uso del barbecho en tierras agrícolas de secano en la España peninsular: (1) cultivo regular (2) rotación de cultivo-barbecho de dos años y (3) rotación de cultivo-barbecho de tres años. Aproximadamente la mitad de la superficie distribuida principalmente en el noroeste de España fue cultivada regularmente, mientras que la otra mitad con patrones de rotación cultivo-barbecho se localizó en el noreste, centro y sur de España.
En el segundo estudio, los indicadores derivados del periodograma permitieron evaluar a escala global la estacionalidad de la vegetación, concretamente el número, amplitud y estabilidad de los ciclos intra-anuales y presencia de ciclos plurianuales. La mayoría de las áreas con vegetación en las latitudes altas del Hemisferio Norte y las sabanas y vegetación herbácea en África mostraron un ciclo intra-anual único con valores altos de amplitud y estabilidad. Se encontraron patrones bi- y trimodales dentro de un año en las regiones tropicales y áridas con valores más bajos de amplitud y estabilidad; la presencia de ciclos plurianuales fue significativa en las regiones áridas. Una importante intensificación agrícola fue identificada en extensas zonas por la aparición de varios ciclos intra-anuales.
En el tercer estudio se evaluó a escala global la "dinámica de la estacionalidad de la vegetación", es decir, la evolución temporal de la estacionalidad de la vegetación. Para ello, se propuso una metodología novedosa basada en los indicadores anteriores calculados mediante un procedimiento de ventana móvil de cinco años. Se encontró una variabilidad temporal significativa en amplitud y estabilidad. Además, aproximadamente el 20% de la superficie de la Tierra con vegetación mostró cambios en el número de ciclos intra-anuales.
Entre otras aplicaciones, la metodología propuesta puede ser una herramienta valiosa para evaluar la precisión en la identificación de eventos fenológicos como el inicio, fin o duración de la estación de crecimiento. Asimismo, los resultados de esta tesis sobre la estacionalidad de la vegetación y su estabilidad a medio y largo plazo podrían contribuir a mejorar el diseño e implementación de estrategias para la gestión de recursos en el contexto actual de cambio global. En el futuro, con la creciente disponibilidad de datos de teledetección a alta resolución, el potencial de estas metodologías aumentará enormemente haciendo posible explorar la dinámica de la vegetación a escalas más locales.
