Detección de cambios artificiales en Catalunya 2005-2009 (entorno metropolitano de Barcelona)

La modificación del uso del suelo no se produce en todas partes del mismo modo, ni de manera aleatoria. Se concentra en unos lugares determinados, normalmente en la periferia de áreas que han experimentado cambios recientemente, y sobre todo en el litoral y alrededor de ciudades medianas y grandes. Los objetivos del proyecto son identificar los grandes cambios centrados en las cubiertas artificiales de una parte del territorio de Catalunya y estudiar la dinámica de los cambios. La localización de las áreas de cambio podrá ser útil en las líneas de trabajo de proyectos en los que se priorice ese tipo de conocimiento.

El propósito de seguimiento sistemático y continuado de los cambios, desde el punto de vista territorial determina que los resultados se presenten agrupados por unidades administrativas, en este caso por comarcas.

Para poder obtener datos de toda el área de estudio con una frecuencia mínima anual, la detección de cambios se ha realizado casi exclusivamente a partir de imágenes pancromáticas del satélite SPOT5, dada la buena relación entre superficie captada y detalle o resolución de la imagen, que permite la identificación del tipo de cambio. Existe un estudio previo en el ICC, con imágenes Landsat [1], que ha permitido cambiar el centro de interés hacia las cubiertas artificiales así como tomar la decisión de trabajar con imágenes SPOT5, que pueden proporcionar una cobertura completa de Catalunya de manera periódica y una resolución más adecuada para el estudio [2].

El ICC trabaja en este proyecto con imágenes captadas desde el año 2005 hasta la actualidad, se presentan los datos obtenidos entre 2005 y 2009. Como área de interés se ha seleccionado una parte del Área Metropolitana de Barcelona, un total de seis comarcas: Baix Llobregat, Barcelonès, Garraf, Maresme, Vallès Occidental y Vallès Oriental.

En resumen, el estudio permite identificar las áreas de cambio y obtener estadísticas de su dinámica; por ejemplo muestra qué tipo de cubiertas desaparecen y qué tipo de cubiertas aumentan su representación en el territorio.

1. Metodología

Se parte del análisis de imágenes SPOT [3] pancromáticas, se comparan dos a dos, no automáticamente, sino mediante fotointerpretación y se extrae información de las series de imágenes. Se construyen una o diversas bases de datos(relacionadas entre sí) dentro del marco de un sistema de información geográfica (SIG), donde el elemento central es el cambio del territorio en el ámbito de las superficies artificiales. Cada cambio (registro) se identifica con un código de cambio (de qué tipo de cubierta a otro se ha modificado el territorio) para poder efectuar un seguimiento y a cada registro se le asocian diferentes campos que lo describen con más detalle.

1.1 Selección y tratamiento de las imágenes
Las imágenes son georreferenciadas mediante una técnica de triangulación espacial simultánea desarrollada en el ICC. El programa de triangulación incorpora un modelo físico estricto de formación de la imagen SPOT5 de acuerdo con la información original proporcionada por el distribuidor de las imágenes [4]. Unos pocos puntos de control sobre el territorio y su correspondencia en las imágenes, utilizando un modelo digital de elevaciones, son suficientes para aplicar un algoritmo de mínimos cuadrados linearizados que permite resolver los parámetros libres del sistema, hasta obtener una solución óptima. Se aplica la corrección geométrica a las imágenes, con la opción de convolución cúbica y píxel de salida de 2.5 metros. Al inicio del proyecto (2005) se aplicó a las imágenes una corrección radiométrica (iluminación y condiciones atmosféricas) pero la relación entre el coste de aplicar la técnica y la mejora obtenida no fue significativa, de modo que las siguientes imágenes no han sido sometidas a ese proceso; tampoco ha habido continuidad en la discriminación previa de elementos sin interés en el territorio, que pudieran interferir, como la obtención de máscaras de nubes y sombras o el estudio de ocultaciones y efectos topográficos.

1.2 Selección de la leyenda
En el proyecto del ICC las cubiertas que se ha decidido distinguir, porque intervienen en los procesos de cambio, son un conjunto de once, anotadas a continuación, con su identificador entre paréntesis: agua (G), cubierta agrícola (A), cubierta industrial-comercial (I), cubierta urbanizada (U), cubierta vegetal (V), movimiento de tierras (M), cantera (P), puerto (T), suelo desnudo (N), arenal (S) y vial (C). Las clases de leyenda consideradas corresponden a la combinación entre las cubiertas citadas, restringida a los tipos de cambio que interesan y que se dan en el territorio. Entre todas las combinaciones posibles, las seleccionadas para este proyecto son las marcadas en amarillo en la Tabla 1. Las cubiertas de origen pueden ser tanto naturales como artificiales -resultado de la acción antrópica-, mientras que las cubiertas de destino son las artificiales, excepto en los casos que se ha considerado que algún cambio hacia cubierta natural es un paso intermedio hacia otro tipo de cubierta.

Tabla 1: Clases consideradas en la leyenda, en amarillo.

Como ejemplo: de los cambios de agua hacia otras cubiertas posibles, sólo se consideran dos clases GM (de agua a movimiento de tierras) y GS (de agua a arenal). De las otras posibilidades, unas no interesan al proyecto y otras no se encuentran en el territorio, como la transformación de agua a cubierta agrícola o de agua a cubierta vegetal.

Los polígonos-isla que se generan al ser cerrado un territorio por uno o más polígonos, se han codificado como II. Por otra parte, en las primeras etapas del proyecto se consideró la clase VV (de vegetación densa a vegetación menos densa), por parecer interesante la detección de bosques en franjas de protección, etc., pero actualmente ha dejado de estudiarse. Estas dos clases II y VV, no se consideran en las estadísticas. La leyenda consta de 32 clases: las 31 clases mostradas en la Tabla 1, más la clase II.

1.3 Unidad de trabajo y unidad espacial mínima
La unidad de trabajo es la comarca. La unidad mínima de información que se utiliza para cartografiar los cambios está relacionada directamente con el tipo de sensor y la leyenda seleccionados, y es de una hectárea (ha). En ciertas situaciones se ha admitido superficies inferiores, como por ejemplo en la ampliación de canteras o muelles y en algunas urbanizaciones.

1.3.1 Análisis de las imágenes
Cada cambio se recoge en forma de recinto o polígono, se identifica con un código y se le asigna a una clase de la leyenda. Cada registro comprende diferentes campos de información, además de la clase, el path-row de las imágenes comparadas, de la imagen de validación, fechas, etc. En un primer estadio todos los cambios detectados pueden ser cambios posibles en el territorio (P), a la espera de una confirmación o validación con una imagen posterior, en el tiempo, a las dos comparadas.

Entre 2005 y 2009 han sido estudiadas 19 imágenes. El tiempo transcurrido entre imágenes varía entre 4 y14 meses (con una media de 8 meses), en función de su disponibilidad. En las comarcas del Garraf y del Vallès Oriental se ha realizado un análisis menos que en las otras comarcas, porque fue necesario descartar una imagen debido a la presencia de nubes.

1.3.2 Identificación de cambios
La leyenda seleccionada hace necesaria una interpretación visual, ya que los procesos automáticos de tratamiento digital de las imágenes que se han evaluado, actualmente no llegan a diferenciar con exactitud estas cubiertas.

Como ya se ha citado, la detección de cambios se ha basado en la fotointerpretación de las imágenes SPOT5 pancromáticas, por comparación dos a dos. Paralelamente se ha consultado otras imágenes como soporte o información exógena, como la ortoimagen de Catalunya 1:5 000 y el vuelo fotogramétrico 25 cm del ICC.

Para realzar los cambios y facilitar su detección se combinan las imágenes a analizar, generando una imagen en falso color. Si las imágenes estudiadas son la A y la B, se genera la imagen en RGB, donde la imagen A se hace corresponder al canal rojo (red) y al canal azul (blue); mientras que la imagen B se hace corresponder al canal verde (green). Con esta combinación de canales los cambios debidos a aumentos de valores numéricos radiométricos toman tonalidades verdes (Figura 1) y los debidos a disminuciones, tonalidades rosadas (Figura 2). Esto dirige al fotointérprete experto a las posibles áreas de cambio. Es, por tanto, el fotointérprete quien identifica si realmente se trata de una transformación del territorio o no, de qué tipo de cambio se trata o si pertenece al ámbito de este estudio.

Figura 1: Realce de cambios entre la imagen A (izquierda, agosto 2005) y B (centro, mayo 2006): tonos verdes en la
superficie de cambio, en la combinación RGB (derecha). Ejemplo de cambio “cubierta agrícola a movimiento de
tierras” (AM), en la comarca del Baix Llobregat, en un período de 9 meses.

Figura 2: Realce de cambios entre la imagen A (izquierda, agosto 2005) y B (centro, mayo 2006): tonos rosados en la
combinación RGB (derecha). Ejemplo de cambio “movimiento de tierras a cubierta urbanizada” (MU), en la comarca
del Baix Llobregat, en un período de 9 meses.

También se consideran otros criterios que permiten reconocer los elementos a identificar, como aquellos en función del tamaño, forma, textura, contexto, tono, etc., de los elementos.

En los casos en que las dos imágenes a comparar han presentado diferencias radiométricas globales acusadas, como una mucho más oscura que la otra, un paso previo ha sido la aproximación radiométrica entre ellas (software propio del ICC) con el objetivo de destacar las tonalidades verdes y rosadas que realmente corresponden a cambios de los niveles digitales de los píxeles.

En la identificación de cambios se pueden dar situaciones de confusión que han sido tenidas en cuenta:

• Cambios no reales: “falsos positivos”
  Pueden aparecer cambios radiométricos que no corresponden a cambios reales en el territorio, como es el caso de algunas superficies muy reflectivas: tejados de naves y edificios, cubiertas de los invernaderos, etc.
• Cambios fenológicos
  Los cambios producidos por diferencias fenológicas de los cultivos no se consideran en este estudio, ya que son muy frecuentes en las áreas agrícolas de las comarcas analizadas. La comparación de imágenes puede reflejar un cambio en el vigor del cultivo (más o menos actividad fotosintética), pero no indica cambio de cubierta, ya que siguen siendo campos agrícolas.
• Nubes y sombras
  Algunas de las imágenes que han intervenido en determinadas etapas de este estudio presentan una parte cubierta de nubes. Como consecuencia de este hecho, no se puede saber si se han producido cambios en el área afectada y pueden quedar pendientes de interpretar hasta la obtención de la siguiente imagen.
• Línea de costa
  Al inicio del estudio se detectaron los cambios en la línea costera producidos por ganancias o pérdidas de arena en las playas. A medida que se iban analizando imágenes posteriores, se observó que las olas presentes en ciertas áreas en el momento de la captura de las imágenes, no dejaban ver con precisión la línea del litoral. Por este motivo se decidió prescindir de estos cambios a partir de las nuevas capturas (año 2007).

1.3.3 Etapas en la identificación de los cambios
El interés en delinear los cambios como polígonos reside en la intención de hacer un seguimiento de tales cambios. La validación de los cambios detectados con una imagen, sucesiva en el tiempo a las dos comparadas, permite decidir si realmente se trata de un cambio (C, validado), si no ha existido ese cambio (I, invariable), si se trata de alternancia de cambios (A), o bien si este cambio ya se ha consolidado y se deja de hacer su seguimiento en el tiempo (T).

La secuencia de las etapas es la siguiente:

• Primera fase. Comparación de las imágenes de dos épocas, con un intervalo aproximado de tiempo entre seis meses y un año (imagen A, imagen B). Generación de la base de datos AB.
• Segunda fase. Validación de los cambios detectados en la primera fase, con la siguiente imagen en el tiempo (imagen C). Se comprueba si los cambios detectados se mantienen (validación), si se trata de un falso cambio, etc. Edición de la base de datos AB, con la incorporación de la nueva información.
• Tercera fase. Comparación de las imágenes B y C para detectar los cambios producidos entre el intervalo de tiempo que las separa. Generación de la base de datos BC.
• A partir de aquí se siguen comparando las imágenes siguientes dos a dos y validando los cambios del mismo modo.
• Las bases de datos AB, BC, DE, etc., a medida que se obtienen son reunidas en una única base de datos ABCDE.

2. Bases de datos

El método de trabajo basado en la fotointerpretación asistida por ordenador lleva a trabajar con un Sistema de Información Geográfica (SIG). En este proyecto se ha optado por MiraMon [5].

Se dispone de las diferentes fuentes de información en forma de capas y el propio programa permite el trazado de los recintos y la asignación a clases, según la leyenda establecida para el proyecto. Se trata de la fase de digitalización, es decir, la de creación de polígonos con sus atributos.

Se construyen una o varias bases de datos (relacionadas entre sí) mediante herramientas del SIG MiraMon. En estas bases de datos el elemento central será el cambio del territorio dentro del ámbito de las superficies artificiales. Cada cambio (registro) es etiquetado con un identificador alfanumérico (p. ej. BL247), y a cada registro se le asocian diferentes campos que lo describen con más detalle (tipo de cambio, etc.).

El SIG permite el diseño de consultas específicas por diferentes conceptos, y la consiguiente explotación de datos, obteniendo estadísticas por tipos de cambio, por regiones del territorio, por intervalos de tiempo o por una fecha concreta, por superficies de cambio, etc.

El SIG MiraMon permite también la obtención de estadísticas. Véase en la Figura 3 un ejemplo para la comarca del Baix Llobregat, en un período de tiempo de un año entre dos imágenes analizadas entre 2008 y 2009, con la detección de un total de 240.3 hectáreas de cambios. Por una parte se muestra la tabla en la que aparecen los tipos de cambio ordenados de mayor a menor presencia, por otra parte se agrupan los cambios según las cubiertas que más se generan y las que más se transforman.

Figura 3. Ejemplo de estadísticas.
 

3. Resultados

Los resultados se han obtenido por comarca y suponen la generación de tablas de estadísticas y de gráficas en cada período estudiado, entre 2005 y 2009. Se han analizado un total de 6 períodos para cuatro de las comarcas, y de 5 períodos para dos de ellas (por no disponibilidad de imágenes). También se obtienen las gráficas correspondientes a la velocidad de cambio, que se define como el número de hectáreas que se transforman por mes. Hasta el momento se han redactado 6 informes, y generado 47 mapas de cambios.

En la Tabla 2 se muestran la correspondencia entre los valores de las clases (tipo de cambio) y la superficie de cambio en hectáreas, agrupados por comarca y para el tiempo transcurrido entre 2005 y 2009. Las dos últimas columnas corresponden respectivamente a qué tipo de cubierta se transforma (origen) y hacia qué tipo de cubierta cambia el territorio (destino).

Puede observarse que en el conjunto de las comarcas estudiadas, los cambios con valores superiores son los relacionados con las cubiertas movimiento de tierras (M) y suelo desnudo (N). La experiencia en este estudio muestra que la mayoría de los cambios que se detectan en el territorio pasan al menos por una de las cubiertas citadas, como transición dentro del cambio.

Tabla 2. Datos de cambios por comarca, para el período 2005-2009.

Tabla 3. Datos estadísticos por comarca, para el período 2005-2009: cubiertas que se transforman (o cubiertas origen) a la izquierda, cubiertas que se generan (o cubiertas destino) a la derecha.

En la Tabla 3 y en la Figura 4 se han agrupado los tipos de cambio, por una parte en las cubiertas que cambian o las cubiertas origen, y por otra parte en las cubiertas generadas o cubiertas destino. Las que han sufrido mayor transformación han sido principalmente la cubierta vegetal, el suelo desnudo y el movimiento de tierras. Si no se consideran los cambios movimiento de tierras y suelo desnudo, puesto que casi todos los cambios pasan por estos estadios transitorios, las que han sufrido mayor transformación son la cubierta vegetal, la cubierta agrícola y el agua.

En la agrupación de tipo de cambios según las cubiertas generadas o cubiertas destino, son el movimiento de tierras y el suelo desnudo las que presentan una mayor proporción. Si se dejan de lado estas dos, se observa que las cubiertas que suponen un sellado o impermeabilización del territorio son las que más se han generado: industrial-comercial, vial y cubierta urbanizada.

Figura 4. Representación de los datos de cubiertas origen y destino en forma de gráficos.

Las cubiertas puerto (T), cantera (P) e industrial-comercial (I), como cubiertas origen, no aparecen como sometidas a cambio, con la excepción de la comarca del Barcelonès, donde se ha encontrado industrias antiguas que han sido demolidas para generar viviendas o servicios; pero como que el tipo de cambio es muy minoritario y de poca superficie, se ha codificado dentro de la clase UM (cubierta urbanizada a movimiento de tierras). La cubierta vial sí está sometida a cambios en algunas áreas localizadas del Baix Llobregat y Barcelonès, donde se trata de remodelaciones del territorio para cambiar y adecuar el trazado de algunas vías, e incluye los afectados por la construcción del AVE.

La pérdida de cubiertas “naturales” hacia cubiertas artificiales refleja la industrialización del territorio del Área Metropolitana, considerado en conjunto, que supone una mayor urbanización y un aumento de las vías de comunicación, así como una impermeabilización del suelo. Consideraciones más complejas están fuera del alcance de este estudio (movimientos migratorios, situación geográfica, historia, etc.).

El intento de comparar las comarcas entre sí ha llevado al cálculo de la velocidad de cambio. La Figura 5 muestra esos cálculos.

Si se agrupan todos los cambios por comarca y se calcula su velocidad de cambio en el global del período 2005-2009, se comprueba que la comarca que presenta una mayor tasa de cambio es la del Baix Llobregat, seguida por la del Vallès Occidental y Oriental. Este dato no está únicamente relacionado con la superficie total de la comarca, puesto que la comarca con mayor superficie de las estudiadas es la del Vallès Oriental, con 850.98 km² y la siguen la comarca del Vallès Occidental (583.13 km²) y la del Baix Llobregat (485.99 km²).

El gráfico de la Figura 5 (derecha) muestra cómo las diferentes comarcas siguen tipos de evolución diferentes. Baix Llobregat, Barcelonès, Garraf, Maresme y Vallès Oriental, presentan un descenso más o menos acusado hacia el mes de mayo de 2007 (05/2007), incrementan las transformaciones hacia 2008 (excepto en la comarca del Maresme y Vallès Occidental) y finalmente vuelve a decaer la actividad transformadora hacia 2009, coincidiendo con la expresión de la actual crisis económica. El Vallès Occidental experimenta un aumento de la actividad hacia el mes de mayo de 2007 (05/2007), coincidiendo con el descenso de las otras comarcas.

El Vallès Occidental es la única comarca de las estudiadas que experimenta un aumento de la velocidad de cambio en la última época, entre 2008 y 2009. Creemos que contribuyen a este aumento las obras del Cuarto Cinturón o Ronda del Vallès y la construcción del Sincrotrón Alba, entre otros.

Figura 5. En el gráfico de la izquierda velocidad de cambio global en el período 2005-2009.
En el gráfico de la derecha velocidad de cambio con valores tomados por período.

En la Figura 6 se muestra un ejemplo de seguimiento de cambio en el tiempo, que corresponde a las obras del Cuarto Cinturón o Ronda del Vallès; y en la Figura 7 de localización de los cambios en el aeropuerto de Barcelona entre 2005 y 2009.

En febrero de 2011 se han recibido las imágenes SPOT5 de 2010, con el objetivo de continuar evaluándolas y detectando cambios. Por otra parte, se están realizando pruebas de software semiautomáticos para la ayuda en la detección.

En la página web del ICC existe un documento más detallado sobre la recopilación de datos en el período 2005-2009 [6].

Figura 6. Municipio de Terrassa. Arriba, de izquierda a derecha: imagen B (17/05/2006), imagen C (03/09/2006) y D
(21/05/2007). Abajo, de izquierda a derecha: imagen E (15/11/2007), imagen F (26/06/2008) y G (28/05/2009).

Figura 7. Localización de cambios en el aeropuerto de Barcelona (El Prat de Llobregat) 2005-2009.
 

4. Referencias

• [1] Martínez, L., Joaniquet, M., Palà, V., Arbiol, R.: Detection, confirmation and validation of changes on satellite image series. Application to Landsat 7. Proceedings of the XXII International Cartographic Conference of the ICA. A Coruña, 2005.
• [2] L. Martínez, V. Palà, L. Pineda, M. Joaniquet. Urban Change Detection on Satellite Images Series. Application to Catalunya Area. Urban Remote Sensing Joint Event. Paris 2007.
• [3] http://www.spotimage.fr/html/_253_311_316_.php
• [4] ftp://ftp.spot.com/SPOT_docs/geometry_handbook/S-NT-73-12-SI.pdf
• [5] MiraMon. Pons, X. (2004) “MiraMon. Sistema d’Informació Geogràfica i software de Teledetecció” Centre de Recerca Ecològica i Aplicacions Forestals, CREAF. Bellaterra. ISBN: 84-931323-4-9; http://www.creaf.uab.es/miramon
• [6] http://www.icc.cat/cat/Home-ICC/Inici/ICC/Publicacions, “Informe de detecció de canvis en cobertes artificials a Catalunya”. Barcelona, octubre 2010.