Validación comparativa de detección de áreas quemadas PROBA-V/MODIS/Sentinel-2 en Michoacán, México (2015-2020)
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[1] Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo
Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo
México
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- Localización: Investigaciones geográficas, ISSN 0188-4611, ISSN-e 2448-7279, Nº. 112 (Investigaciones Geográficas), 2023
- Idioma: español
- Títulos paralelos:
- Comparative validation of PROBA-V/MODIS/Sentinel-2 burn area detection in Michoacan, Mexico (2015-2020)
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Resumen
- español
Los incendios constituyen una gran preocupación medioambiental por sus efectos potencialmente negativos en los ecosistemas, el suelo y la atmósfera, y como consecuencia del cambio climático han están aumentando en todo el planeta. Los reportes de campo son el dato más cercano sobre incendios activos y áreas quemadas, sin embargo, a veces no son confiables o suficientes, por lo que es útil contar con series globales generadas a partir de información satelital. Entre los productos satelitales de áreas quemadas disponibles destacan la serie PROBA-V de 300 m de Copernicus (2014-2020). basada en el cálculo de índices que detectan cambios importantes en la vegetación, y la colección MCD64A1 de 500m de la NASA, derivada de datos MODIS, que parten de la detección de puntos de calor.
El objetivo de este trabajo fue comparar estos productos en el estado de Michoacán, México, donde se encuentran bosque templado y tropical seco (o selva baja caducifolia). además de agricultura y otras coberturas; el periodo estudiado va de 2015 a 2020. Para cada serie se contabilizan los pixeles con reporte de área quemada por mes y año para cada cobertura, y se analizan las coincidencias. Como referencia independiente y de mayor resolución que las series comparadas, se utilizan imágenes Sentinel-2 para ilustrar algunos casos, donde se calcula el índice dNBR para valorar el nivel de afectación.
En el periodo estudiado, el número de detecciones de PROBA-V es del orden de dieciséis veces mayor que el de MODIS (308699 contra 19061). PROBA-V identifica áreas quemadas de diciembre a mayo, y MODIS en abril y mayo, lo que se corresponde mejor a la realidad de la zona estudiada. En la serie PROBA-V, el 56.65% de las detecciones corresponden a bosque tropical seco, el 27.25% a agricultura y el 13.57% a bosque templado; MODIS detecta el 50.02% en zonas agrícolas, el 31.31% en bosque templado y únicamente el 17.31% en bosque tropical seco. Entre el 37.90% (2015) y el 78.72% (2020) de las áreas quemadas detectadas por MODIS lo son también por PROBA-V, pero menos del 5% de las localizadas por PROBA-V son detectadas por MODIS. En bosque tropical seco, la coincidencia no llega al 2% ningún año, lo que indica una importante sobredetección por parte de PROBA-V en este bioma. Los seis ejemplos de áreas quemadas detectadas que se visualizan en imágenes Sentinel-2, considerando el caso desde enero hasta junio, evidencian que en las zonas de transición entre bosque templado y seco ocurren normalmente en abril o mayo, o hasta junio en el caso de zonas cercanas a plantaciones de aguacate; por otra parte, las quemas agrícolas se dan en diferentes momentos del año. En general se constata un mayor acierto de MODIS que de PROBA-V en la zona estudiada; el índice dNBR identifica correctamente zonas de afectación alta, pero sobredetecta áreas quemadas con baja afectación.
Las series áreas quemadas permiten realizar un monitoreo, general y sistemático de los incendios ocurridos en un territorio; los datos de archivo permiten realizar estudios históricos. La exactitud de cada serie depende de los datos y algoritmos utilizados para generarla, además de las características de la zona de estudio. Las series de áreas quemadas basadas en anomalías térmicas, como la colección MCD64A1 de MODIS, resultan más precisas que las que identifican cambios en la vegetación, como PROBA-V, en particular cuando en la zona se encuentran biomas caducifolios. Es necesario, sin embargo, eliminar falsas detecciones debidas a la presencia de superficies altamente reflectivas, como nubes o cuerpos de agua. Por otra parte, si se busca estudiar los incendios forestales, es necesaria la superposición de mapas de uso de suelo.
La información aportada por las series no incluye incendios pequeños, en comparación con el tamaño de pixel. Si se requiere el estudio detallado de los incendios en zonas pequeñas, puede complementarse la información de las series con datos de campo e imágenes satelitales de alta resolución, por ejemplo, para evaluar el impacto del fuego o dar seguimiento al proceso de recuperación; resulta necesario, en este caso, clasificar previamente la imagen, para identificar las zonas quemadas.
Si bien los satélites MODIS y PROBA-V están llegando al final de su vida útil, ya existen otros tomando el relevo, tanto por parte de la NASA, como de la ESA, por lo que la disponibilidad de series de áreas quemadas, junto con otras de variables biofísicas y climáticas, está garantizada, con datos cada vez de mayor calidad y de periodos más largos.
- English
Fires are a major environmental concern due to their potentially adverse effects on ecosystems, soil, and the atmosphere. Fires are increasing worldwide as a result of climate change. Field reports are the closest data on active fires and burned areas; however, they are not always reliable or sufficient, so global series generated from satellite information are useful. Satellite products available for burned areas include the 300m Copernicus PROBA-V series (2014–2020), which calculates indices that detect significant vegetation changes, and NASA’s MCD64A1 500m MODIS collection, based on the detection of heat spots. This study aimed to compare these products in the state of Michoacán, Mexico, where temperate and tropical dry forests (or low deciduous forests) are located, as well as cropland and other vegetation types; the study period covered from 2015 to 2020. For each series, the pixels with a burned-area report were quantified by month and year for each vegetation cover, and matches were analyzed. To illustrate some cases, Sentinel-2 images were used as an independent baseline with a higher resolution than the compared series, and the dNBR index was calculated to assess the impact level.
During the study period, the number of PROBA-V detections was 16 times greater than that of MODIS (308699 versus 19061). PROBA-V identified burned areas from December to May, while MODIS did so in April and May, which better matched the actual conditions in the study area. In the PROBA-V series, 56.65 % of the detections corresponded to tropical dry forest, 27.25 % to agriculture, and 13.57 % to temperate forest; in MODIS, 50.02 % of the area was cropland, 31.31 % temperate forest, and only 17.31 % tropical dry forest. Between 37.90 % (2015) and 78.72 % (2020) of the burned areas noted by MODIS were also detected by PROBA-V, but MODIS detected less than 5 % of the areas identified by PROBA-V. In the tropical dry forest, the correlation between both systems was below 2 % in any year, indicating a significant overdetection by PROBA-V in this type of vegetation. The six burned areas visualized in Sentinel-2 images from January to June show that they usually occur in April or May in the transition zone between temperate and dry forests or until June in areas near avocado plantations. On the other hand, cropland fires occur at different times of the year. MODIS was generally more accurate than PROBA-V in the study area; the dNBR index correctly identified high-impact burned areas but overdetected low-impact areas.
The burned-area series facilitates general and systematic monitoring of fires in a territory, while archival data are suitable for historical studies. The accuracy of each series depends on the data and algorithms used to generate it, as well as on the characteristics of the study area. Burned-area series based on thermal anomalies, such as the MCD64A1 collection of MODIS, are more accurate than those identifying changes in vegetation, such as PROBA-V, particularly when deciduous vegetation is found in the area. However, false detections from highly reflective surfaces, such as clouds or water bodies, should be eliminated. Additionally, to study forest fires, it is necessary to overlay land-use maps.
The information provided by the series does not include fires that are small relative to the pixel size. If a detailed study of fires in small areas is required, the information in the series can be supplemented with field data and high-resolution satellite imagery, for example, to assess the impact of fire or to monitor the recovery process. In this case, the image needs to be classified beforehand to identify the burned areas.
Although the MODIS and PROBA-V satellites are approaching the end of their useful life, others are already taking over, both by NASA and ESA, so the availability of time series for burned area and other biophysical and climatic variables is warranted, recording increasingly higher-quality data over longer periods.
- español
