Plan de Gestión de un Sistema de Arrecifes Coralinos y Lagunas Tropicales
con Imágenes Multiespectrales Aéreas y S.I.G.

Este artículo fué presentado en la Cuarta Conferencia Internacional de la Detección Remota aplicada a los Ambientes Marinos y Costeros,
Orlando, Florida, marzo 17-19, 1997

Gary Borstad¹, Leslie Brown¹, William Cross², Mardayven Nallee³ y Peter Wainwright²

1) G.A. Borstad Associates Ltd.
114 - 9864 West Saanich Road, Sidney, British Columbia, CANADA V8L 5Y8

2) LGL Environmental Research Associates Ltd.
9768 Second Street , Sidney, British Columbia, CANADA V8L 3Y8

3) Ministry of Fisheries and Marine Resources
Albion Fisheries Research Centre, Albion, MAURICIO

RESÚMEN

El Ministerio de Pesca y Recursos Marinos de la República Mauricio, situada en el suroeste del océano Indico, solicitó la producción de mapas temáticos de las lagunas costeras y áreas de los arrecifes coralinos de las islas de Mauricio y Rodrigues como parte del plan de gestión ambiental marino. Se adquirieron imágenes digitales sobre 115 líneas del vuelo (cada linea con un promedio de 5 kilómetros de longitud, 11 bandas espectrales y una resolución de 4 m) utilizando el Visualizador Espectrográfico Compacto Aéreo (VECA). Las imágenes se calibraron radiometricamente, se corrigieron los movimientos del avión: picado y alabeo asi como la guiñada, se cartografiaron con orientación norte usando el SPG y finalmente se agruparon en mosaicos de 5 a 25 líneas de vuelo. Se utilizaron las imágenes pancromáticas del SPOT para ajustar la colocación final de la imágen.

Los mapas temáticos de las lagunas someras y de los arrecifes coralinos fueron creados utilizando datos de campo de los tipos de fondo asi como los espectros de reflexión de corales y algas. Estos mapas fueron importados a un Sistema de Información Geográfica (SIG) y están utilizandose actualmente para la formación profesional del personal del Ministerio en el uso del SIG para gestión y planificación costeras.

1.0 INTRODUCCIÓN

La república de Mauricio(Figura 1) situada en el sureste del océano Indico, es una pequeña (1.865 Km2) isla volcánica rodeada por un extensa galería de arrecifes de coral y lagunas. Existe una gran necesidad de mejorar la gestión costera, debido a que el aumento en urbanización, turismo, industria, pesca, extracción de arena y otros usos de las lagunas ejercen una gran presión en el ecosistema marino costero. La isla está cerca de la ruta marina de petroleros entre el Golfo de Persia y Europa; el aumento de tráfico de petróleo y otros productos peligrosos es motivo de preocupación. La mayoría de las técnicas de gestión utilizan mapas detallados y seguimiento continuado. El Ministerio de Pesca y Recursos Marinos está implementando un Sistema de Información Geográfica (SIG) para facilitar la gestión de las áreas costeras y para ello necesitan un mapa base. No existen mapas batimétricos ni fotografías aéreas recientes del área de arrecifes. El Ministerio optó por utilizar el método digital más moderno: la clasificación multiespectral, que no puede obtenerse con película. Se eligieron imágenes aéreas debido al requerimiento de una alta resolución espacial, el interés en obtener una classificación de los diversos hábitats y porque en ese momento la cobertura sobre la isla con sensores de satélite estaba muy limitada.

Figura 1. Mapa de la isla de Mauricio con las 115 líneas de vuelo adquiridas durante las 3 semanas que duró el reconocimiento.

2.0 METODOLOGÍA

2.1. RECONOCIMIENTOS AÉREOS MULTIESPECTRALES

El equipo aéreo incluyó el 'Visualizador Espectrográfico Compacto Aéreo' (VECA) de la compañía Itres Instruments Ltd. el cual adquiere imágenes multiespectrales ( Borstad and Hill, 1989; Borstad 1992), un ordenador auxiliar de base 80486 el cual registra y sincroniza los datos auxiliares del sistema de navegación de la aeronave, un giroscopio de doble eje (para corregir la imágen por los movimientos de balanceo y alabeo del avión), un sensor de iluminación incidente (para los cálculos de reflectancia) y un recibidor de Sistema de Posición Global (SPG).

El VECA de la compañía Borstad cubre un rango espectral de 403 nm a 946 nm (el rango visual del ojo humano y hacia el infrarrojo) operando como visualizador multiespectral con hasta 15 bandas. La resolución del terreno para este trabajo fué de 4 m, determinada por la altitud de la aeronave (11.000 pies), la velocidad sobre el terreno (104 nudos), el campo visual instantáneo del instrumento (35.5 grados) y el tiempo de integración (75 mseg). El equipo se envió en 9 cajas tamaño maleta y se facturaron hasta Mauricio como exceso de equipaje del grupo de operaciones. El equipo se instaló en una aeronave marca Dornier de motor doble, operada por la Guarda Costa de Mauricio.

Tras una serie de vuelos preliminares, se eligió una serie de bandas espectrales que optimizaran la detección de los corales. Las bandas se seleccionaron en base a datos aéreos de prueba, datos espectrales in situ y experiencia previa en la clasificación de biota intermareal. Se adquirieron 115 transectos aéreos durante 11 vuelos durante el transcurso de las 3 semanas que duró la misión (Figura 1). Debido a los bajos cúmulos, comunes sobre las islas tropicales la mayor parte del tiempo, no fué posible predecir las zonas que debian volarse. El método de operación fué el de adquirir suficiente altitud para poder ver cuales áreas estaban despejadas y volar sobre ellas. Muchos transectos fueron sobrevolados más de un día, según se presentaba la oportunidad durante la misión.

Figura 2. Firmas espectrales de radiancia típica de cuatro clases temáticas
represententativas (datos obtenidos a 10.900 pies de altitud).

2.2. EL SISTEMA DE PROCESAMIENTO DE DATOS

Calibración/Navigación: Se transportaron a Mauricio una estación de trabajo Sun Sparc5, datos de calibración y soporte lógico informático PCI EASI/PACE para el procesamiento de imágen. La calibración se realizó inmediatamente después de los vuelos para mantener un buen control de calidad y la mayoría de los datos se procesaron a un nivel de carta de datos de primer orden antes de que el grupo de Borstad saliera de Mauricio.El resto del procesamiento, incluyendo la cartografía de los datos de imágen, mosaicos y clasificación se completó en Canadá.

Uno de los problemas con que nos enfrentamos fué la falta de buenos mapas base para la zona costera. También fué dificil obtener información sobre la proyección de los mapas disponibles. Para facilitar el uso futuro de SPG se implementó el cambio a WGS84. Se realizó un reconocimiento de SPG a bordo de un vehículo alrededor de la carretera costera para poder subsanar la deficiencia del control exacto de los mapas. Una vez corregida diferencialmente, el reconocimiento terrestre se utilizó para porporcionar un control al mosaico de imágenes multiespectrales del satélite SPOT, que se utilizó para navegar las imágenes aéreas.

Clasificación: La costa se dividió en 14 mosaicos ed aproximadamente 100-150 Km2 cada uno. Se utilizaron puntos de control de terreno para corregir cada línea de vuelo, luego se crearon mosaicos con las líneas de cada transecto, casandose el color y corrigiendose los efectos atmosféricos cuando fué necesario. Por lo general sólo se necesitó ajustar el color cuando las líneas correspondían a diferentes vuelos.

La clasificación de cada mosaico se realizó usando una combinación de métodos supervisados y no supervisados (PCI ISOCLUS). Inicialmente se enmascaró el agua profunda y las áreas terrestres para usar ISOCLUS y desarrollar las clases temáticas identificada inicialmente como 'coral vivo', 'lechos de fanerógamas marinas', 'lechos de algas', 'arena expuesta', 'coral muerto' y 'roca volcánica'. Se hicieron estas identificaciones con la base de datos de reconocimientos preliminares in situ de los tipos de fondo en varias zonas de la isla de Mauricio y con los espectros obtenidos, no solamente de tipo general sino también de muestras vivas de coral y algas de las lagunas.

Se utilizó clasificación supervisada para refinar las separación en áreas mixtas o en hábitats espacialmente complejos. Las señales espectrales usadas como entrada fueron generadas en als áreas de entrenamiento de cada mosaico, donde los biota eran conocidos o eran facilmente reconocibles.

Se crearon mapas de clasificación y en color falso realzado, y se usaron en los reconocimientos directos sobre el terreno llevados a cabo por el equipo de buceo del Ministerio de Pesca y Oceanografía. Los datos de verificación in situ se usaron para refinar las clasificaciones originales y para producir los mapas finales los cuales una vez filtrados y vectorizados se incorporaron en una base de datos SIG.

La consistencia entre mosaicos fué posible gracias al pequeño solapamiento existente entre los mosaicos. El umbral de classificación (presencia vs ausencia) se basó en la intensidad de la señal, que es una función de la densidad de la clase, la iluminación y la profundidad del agua (marea). Como estos factores variaron de un mosaico a otro (y ocasionalmente dentro del mismo mosaico) las areas de solpamiento fueron muy útiles para corregir estas variaciones.

Datos de campo: Un equipo de muestreo de campo (más correctamente sería de datos de mar) utilizó los mapas de imágenes aéreas digitales en color real, falso y de clasificación para explorar varias áreas de cada mosaico, desde barcos, a pié y buceando a pulmón. En algunas imágenes se marcaron ciertas zonas y para las que se registró la posición, profundidad, tiempo y fecha (para permitir corrección de marea), turibidez estimada, tipo de sustrato y cobertura. La posición se determinó con un SPG (no diferencial) y a veces se utilizó un SPG y un cuaderno de ordenador corriendo los programas "El seguidor geográfico" e "InfoMap" para seguir el progreso en el mapa de imágen y poder encontrar y verificar ciertos temas. Debido a la pobre exactitud de las posiciones obtenidas con el SPG autónomo, el registro de información de datos se limitó al centro de vastas áreas mostradas en las imágenes.

2.3. ENTRENAMIENTO DE SIG

Se llevó a cabo un cursillo de 6 semanas de entrenamiento en el uso de InfoMap (un programa muy sencillo de SIG para Windows) y de introducción en las aplicaciones del SIG en medioambientes marinos. Se eligió InfoMap por su fácil uso, coste y facilidad par integrar vetores y datos de imágen. Nada más acabar el cursillo el personal del MPRM encontró aplicaciones inmediatas de InfoMap para apoyar la dirección de la gestión de recursos.

3.0 IMÁGENES

En la Figura 3 se muestra un mosaico compuesto de 7 líneas de vuelo de la región sureste de Mauricio. A pesar de que hay una estimada cobertura de nubes media de 50-60% sobre la isla, se consiguieron producir mosaicos casi libres de nubes para la isla entera al volar los transectos cuando se despejaban - a diferentes horas del día y en diferente órden según se movían las nubes.

Las firmas espectrales adquiridas sobrevolando varios tipos de fondo reconocibles (Figure 2) sirvieron para producir el mapa temático de la Figura 3b, y análisis estadísticos (Tabla 1).

Este proyecto ha iniciado el inventario de los recursos marinos, del estado de áreas especiales y de las posibles fuentes de impacto del medio marino, todo lo cual contribuirá a la planificación futura de la gestión de recursos marinos en Mauricio.

Figura 3a.Escena en color real del sureste de la costa de Mauricio desde Le Morne hasta Baie du Cap, compuesta de las bandas espectrales Roja (Banda 7 639-650nm), Verde (Banda 4 526-542nm) y Azul (Banda 1 421-450nm).

Figura 3b.Clasificación preliminar de la misma escena (con propóisot ilustrativo solamente).

Tabla 1. Resultados de la clasificación de la escena en la Figura 3.

REFERENCIAS

G. A.Borstad, "Ecosystem surveillance and monitoring with a small airborne imaging spectrometer system." Paper presented at the First Thematic Conference on Remote Sensing for Marine and Coastal Environments. New Orleans, 15-17 June, 1992.

G. A. Borstad y D. A. Hill, "Using visible range imaging spectrometers to map ocean phenomena." Conference on Advanced Optical Instrumentation for Remote Sensing of the Earth's Surface from Space, International Congress on Optical Science and Engineering, Paris, France, 7pp. April 24-29, 1989.

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Actualizado el 13 de marzo 2007
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