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EFECTO DE LA INUNDACIÓN SOBRE EL COEFICIENTE DERETRODISPERSIÓN DE LAS MARISMAS DE DOÑANA EN DISTINTOSSWATHS Y POLARIZACIONES DE ASAR/ENVISATB. Martí (*), C. López (**) y J. Dolz (*).(*) Grupo FLUMEN, Universitat Politècnica de Catalunya. Jordi Girona 1, D1-208, 08034 Barcelona.belen.marti@upc.edu(**) R.S.Lab. Dept. Teoria Senyal i Comunicacions. Universitat Politècnica de Catalunya. Jordi Girona 1, D3-203, 08034 Barcelona.RESUMENEl Espacio Natural de Doñana cuenta con 27.000 ha de marisma que se inundan cada año en otoño y se desecanen verano. El grupo de investigación FLUMEN, de la Universidad Politécnica de Cataluña, dispone de 49imágenes ASAR/Envisat de Doñana adquiridas en polarizaciones HH y VV, con 6 ángulos de incidenciadiferentes, durante el año hidrológico 2006/07. Estas imágenes se adquirieron con el objeto de observar laevolución de la superficie inundada. En este estudio se determina la signatura temporal de los tipos de suelo de lamarisma discernibles en las imágenes ASAR y se analiza el efecto de la inundación sobre el coeficiente deretrodispersión de los mismos. Finalmente se extraen conclusiones sobre los swaths más adecuados paradeterminar la superficie inundada. Éstos dependen del tipo de cobertura, grado de inundación y estado fenológicode la vegetación, pero el swath IS2 en trayectoria ascendente se revela como una buena opción en todos los casos.ABSTRACTDoñana National Park marshes flood every year in autumn and dry out at the beginning of the summer season.The FLUMEN Research Group, at the Technical University of Catalonia, acquired 49 ASAR/Envisat images ofDoñana in HH and VV polarizations, and in 6 different incidence angles, during the hydrological year 2006/07.The aim was to observe the flood extent evolution. In this study, the temporal signature of the marshes soil covertypes that are distinguishable in the ASAR images is extracted, and the effect of the flooding on the backscatteringcoefficient of the different cover types is analysed. Finally, conclusions about the most appropriate swaths forflood mapping in Doñana are drawn. These swaths depend on the cover type, inundation level and vegetationphenological stage, but swath IS2 in ascending track shows up as an advantageous option in all cases.Palabras clave: radar, ASAR, Doñana, marisma, inundación, swath, polarización.INTRODUCCIÓNEl Parque Nacional de Doñana está situadoen la margen derecha del río Guadalquivir, junto asu desembocadura en el océano Atlántico. Ocupauna superficie de 54.251 ha, aproximadamente lamitad de las cuáles forman las marismas de Doñana.Durante la época de inundación las marismas creanun lugar de paso, cría e invernada crucial paracientos de miles de aves migratorias cada año.Doñana fue declarado Reserva de la Biosfera por laUNESCO en 1980 e inscrito en la lista dePatrimonios de la Humanidad en 1994.En 1998 el Ministerio de Medio Ambienteplanteó el proyecto Doñana 2005, destinado a larestauración del sistema hídrico natural de lamarisma, fuertemente alterado por la acción delhombre durante buena parte del siglo XX (Saura etal. 2001). Dentro del contexto de Doñana 2005, elgrupo de investigación FLUMEN de la UniversidadPolitécnica de Cataluña recibió el encargo dedesarrollar y calibrar un modelo numérico quesimule la hidrodinámica de la marisma. Lacalibración rigurosa del modelo hidrodinámicoapuntó la necesidad de disponer de observacionesregionales de la marisma que mostraran la superficieinundada en distintos momentos del añohidrológico. Con el objeto de obtener estasobservaciones FLUMEN adquirió 49 imágenes deDoñana del sensor Advanced Synthetic ApertureRadar (ASAR) de la Agencia Espacial Europea(ESA) durante el año hidrológico 2006/07.Este documento describe el análisis que seha efectuado de las imágenes para determinar lascaracterísticas de retrodispersión de los principalestipos de cobertura de la marisma y el efecto quetiene en ellas la inundación, con el fin último dediscriminar la superficie inundada.461

ÁREA DE ESTUDIO27.000 ha del Espacio Natural de Doñanaes zona de marisma. Cada año durante los meses deotoño la marisma se inunda, en mayor o menorproporción según la pluviometría, y se deseca haciafinales de la primavera o principios del verano(Clemente et al. 2004). La topografía de la marismaes extremadamente llana, con una diferencia de cotamáxima de 2,50 m y pendientes inferiores al 1,3%en el 98% de su superficie. El relieve de la marisma,a pesar de su sutileza, tiene una incidenciatrascendental en el hidroperíodo o tiempo medio quepermanece inundada cada zona, lo cual determina asu vez las especies vegetales que se desarrollan enella (García, Mintegui y Robredo 2005). A grandesrasgos se distinguen en la marisma: zonas elevadas opaciles, zonas deprimidas, coincidiendo con loscentros de los caños y lucios o lagunas, y zonas detransición entre las anteriores, que corresponden acauces colmatados.Adaptándose a la capacidad de observaciónde ASAR y atendiendo al objetivo prioritario dediscriminar la superficie inundada, en este estudio sedistinguen los siguientes tipos de cobertura:Las zonas más profundas de la marisma, loscentros de los lucios, son las primeras en inundarsey las últimas en desecarse, es decir, son las zonas demayor hidroperíodo. Se caracterizan por la ausenciade vegetación y están formadas por suelo arcilloso.Los paciles, las zonas más elevadas, sonbancos de sedimentos fluvio-mareales situados entrecauces y lucios. Los paciles sólo se inundan los añosde mayor pluviometría y en ellos crecen pastizalescomo el almajar y el almajar mixto (García,Mintegui y Robredo 2005). El almajar está presididopor Arthrocnemun macrostachyum (almajo salado),matorral de altura comprendida entre 0,5 y 1,3 m. Elalmajar mixto está dominado por el Arthrocnemunmacrostachyum y el Juncus subulatus (candilejo).Ocupa zonas de cota ligeramente inferior al almajary tiene, por tanto, un hidroperíodo algo mayor.Cuando los paciles se inundan, lo hacen con caladosque raramente superan los 30 cm, con lo que lamayor parte del almajo queda emergido.Las zonas de transición entre los paciles yel fondo de los cauces y lucios se inundan casi todoslos años, y en ellas se desarrollan comunidades degrandes helófitos, fundamentalmente: Scirpusmaritimus (castañuela) y Scirpus litorales (bayunco)(García, Mintegui y Robredo 2005). La castañuelaes una hierba de talla comprendida entre 0,6 y 1,0m. El bayunco es junquiforme y a menudo presentaalturas superiores a 1 m. Ambas especies comienzana emerger de la superficie del agua de la marisma afinales de febrero o principios de marzo. Durante laprimavera experimentan un crecimiento especular,de forma que sobre abril o mayo ya forman densasmasas de vegetación que alcanzan el 90% decobertura. La castañuela y el bayunco se secan ymueren durante el verano. Sus hojas secas emergendel agua tras las primeras inundaciones del otoño, yacaban por pudrirse y desaparecer bajo la superficiedel agua hacia el mes de diciembre.DATOSFLUMEN dispone de cinco estaciones demedida en las marismas de Doñana que registran deforma continua nivel de agua y variablesmeteorológicas como precipitación y velocidad delviento.Entre septiembre de 2006 y julio de 2007 elgrupo FLUMEN adquirió 49 imágenes ASAR deDoñana en modo de polarización alternada y en loscanales de polarización HH y VV. El sensor ASARutiliza la banda C (5.34 GHz) y está instalado abordo de Envisat, satélite de órbita heliosíncronacon ciclo de repetición de 35 días (ESA 2006).Cuando funciona en modo de polarización alternada,ASAR proporciona una resolución espacial de 30 my su swath puede seleccionarse variando el ángulode elevación del haz de emisión. Existen sieteswaths predeterminados que se designan de IS1 aIS7, de menor a mayor ángulo de elevación, aunquedurante el período de estudio el swath IS5 no estuvooperativo. La capacidad de direccionamiento delhaz de emisión de ASAR permite adquirir hasta 14imágenes de Doñana en 35 días. Las imágenes deeste estudio se solicitaron en los seis swathsoperativos de ASAR con el objeto de maximizar lafrecuencia de observación.Coincidiendo con la adquisición de lasimágenes ASAR de Doñana se efectuaron diversascampañas de toma de datos de verdad terreno.METODOLOGÍATodas las imágenes se recibieron de la ESAcorregidas por efectos de elevación, diagrama deradiación y range spreading (ESA 2006), ygeorreferenciadas. La calibración absoluta de lasimágenes y determinación del coeficiente deretrodispersión σ 0 en cada píxel se efectuó aplicandola expresión (Rosich y Meadows 2004):0 DNσ =K2sin( α)462

donde:- K es la constante de calibración absoluta,facilitada para cada imagen por la ESA;- DN 2 es el valor de intensidad del píxel;- α es el ángulo de incidencia en cada píxel.Al aplicar esta calibración se asumióterreno llano, es decir, se obvió la corrección delángulo de incidencia local debido al relieve. Estasimplificación introduce un error relativo máximoen el coeficiente de retrodispersión del 5% en lospuntos de pendiente superior a 1.3% (menos del 2%de la superficie de la marisma) en las imágenes deswath IS1, error que desciende por debajo del 1% enlos mismos puntos de las imágenes de swath IS7.Una vez calibradas las imágenes sedefinieron 15 regiones de interés, de unos 1000píxels (15,6 ha) de extensión cada una,representativas de los principales tipos de coberturade la marisma. Estas regiones se escogieron demodo que abarcaran áreas aproximadamentehomogéneas en cota y vegetación. La ubicación delas áreas de interés es la siguiente: 3 de las 15regiones se sitúan en el centro de lucios yrepresentan la clase Deep Bare Soil. 7 regiones deinterés se han definido en la zona de transición entrecentros de lucios y paciles. 4 de estas 7 regionescorresponden a comunidades dominadas por lacastañuela y pertenecen a la clase Castanuela. En las3 regiones restantes domina el bayunco yrepresentan la clase Bayunco. 5 áreas de interés sesitúan en el almajar de los paciles. 2 de ellas sedefinieron en zonas de almajar mixto que seinundaron durante el período de estudio y se handesignado como Lower Almajar. Las 3 áreasrestantes permanecieron emergidas y se denominanEmerged Almajar.Para cada región de interés se calculó elcoeficiente de retrodispersión medio (mediaaritmética) en las dos polarizaciones de las 49imágenes. La evolución del coeficiente deretrodispersión medio de una clase a lo largo del añoconstituye su signatura temporal. Así se obtuvo lasignatura temporal en el año hidrológico 2006/07 delas principales tipos de cobertura de la marisma, enlos seis swaths de ASAR y en las polarizaciones HHy VV.RESULTADOSLa signatura temporal de la clase DeepBare Soil muestra que la retrodispersión de estaclase es superior en polarización vertical que enhorizontal en todos los swaths, tanto antes comodespués de la inundación. Durante el período deestudio sólo fue posible observar el suelo arcillosode la clase Deep Bare Soil en 7 fechas de septiembrey octubre de 2006, en swaths IS1, IS3, IS4 e IS6. Elcoeficiente de retrodispersión medio de estasregiones disminuye en todos los swaths cuando seinundan. La diferencia de σ 0 del suelo emergido einundado es mínima en días de viento intensodebido al aumento de la retrodispersión que produceel oleaje (Ulaby, Moore and Fung 1982). Estadiferencia es similar en HH y VV, y es superior a 3dB en IS6, 5 dB en IS4 (Figura 1), 3 dB en IS3, yprácticamente nula en IS1.Backscattering Coefficient σ0 (dB)0-5-10-15-20-2501/09/06Deep Bare Soil HH IS4Flooding Period29/09/0627/10/0624/11/0622/12/0619/01/0716/02/07Deep Bare Soil VV IS4Wind Velocity16/03/0713/04/0711/05/07Figura 1.- Signatura temporal de la clase Deep BareSoil en swath IS4 y velocidad del viento promediadaen las tres horas previas a cada imagen.Las regiones que caracterizan el EmergedAlmajar no se inundaron en el año hidrológico2006/07. En la signatura temporal del EmergedAlmajar se observa un comportamiento parejo deσ 0 HH y σ 0 VV, con un cociente σ 0 HH/σ 0 VV bastanteestable a lo largo de año, que toma valores entre 0.7y 0.8. Las variaciones de σ 0 se debenfundamentalmente a la humedad del suelo y seobserva su relación con la precipitación caída en losúltimos días.La signatura temporal del Lower Almajaren los días previos a la inundación es similar a la delEmerged Almajar. Cuando las regiones de LowerAlmajar se inundan, la retrodispersión HHdisminuye ligeramente, mientras que la VVexperimenta un reducción importante en los swathsIS2, IS3 e IS4 (de IS1 no hay datos suficientes) demodo que el cociente σ 0 HH/σ 0 VV pasa de valoresentorno a 0.75 a valores superiores a 2. En IS6 e IS7el efecto de la inundación sobre la retrodispersióndel Lower Almajar es leve.En septiembre de 2006 el suelo de lamarisma y las plantas de castañuela y bayuncoestaban secos. El coeficiente de retrodispersión delas clases Castanuela y Bayunco en este mes es muybajo, del orden de -15 dB, en los swaths IS3, IS4,08/06/0776543210Wind Velocity (m/s)463

IS6 e IS7. IS1 parece mucho más sensible a estascondiciones, y muestra valores de retrodispersiónalrededor de -6.5 db. En IS2 no se dispone de datosprevios a la inundación. Tras las primeras lluvias deoctubre, que humedecen el suelo sin llegar ainundarlo, σ 0 aumenta en unos 4 dB en todos losswaths. Una vez inundadas, y antes de que emerja lavegetación en primavera, la retrodispersión de laclases Bayunco y Castanuela es la de la superficiede agua libre, con valores cercanos al nivel de ruidode ASAR (-20dB) en IS6 e IS7, y básicamentecondicionada por la velocidad del viento en el restode los swaths. A principios de marzo la castañuela yel bayunco verdes comienzan a emerger de lasuperficie del agua, lo que provoca el doble rebotede la señal radar (Ulaby, Moore and Fung 1982). Lamagnitud de este fenómeno se incrementa a medidaque la vegetación se desarrolla en altura y densidad.Como consecuencia, la retrodispersión del Bayuncoy Castanuela aumenta a lo largo de la primavera,alcanzando en el mes de mayo incrementos de σ 0HH del orden de 15 dB en en swaths IS2 e IS3. Lasignatura temporal de las clases Bayunco yCastanuela es semejante en otoño e invierno. Enprimavera, sin embargo, la retrodispersión delBayunco es notablemente superior.CONCLUSIONESLos resultados indican que el coeficiente deretrodispersión de la clase Deep Bare Soildisminuye considerablemente con la inundación enlos swaths IS3, IS4 e IS6 (presumiblemente tambiénen IS7). Así pues, estos swaths permiten discriminarla inundación en los suelos del tipo Deep Bare Soil.El oleaje inducido por el viento aumenta la señal dela superficie de agua libre en IS1 (y probablementeen IS2), y dificulta el distinguirla del suelo desnudoemergido. Los registros meteorológicos de Doñanamuestran claros ciclos diarios de velocidad deviento, siendo ésta aproximadamente de calma en laprimera mitad del día. ASAR toma imágenes deDoñana en trayectoria ascendente alrededor de las10:30 horas, con lo que una posibilidad de evitar enmuchos casos el efecto del oleaje en las imágenesIS1 e IS2 es solicitarlas en trayectoria ascendente.suelo están muy secos, toma los mismos valores quecuando estas clases están inundadas, antes de queemerja la vegetación verde. Así, la determinación dela inundación de este tipo de cobertura en los swathsmencionados no puede basarse exclusivamente en elcoeficiente de retrodispersión y debe contemplardatos auxiliares como época del año oprecipitaciones recientes. De todos modos, el swathIS1 (y probablemente también el IS2) sí parecedistinguir la superficie de agua libre de la decastañuela y bayunco con suelo seco.En primavera la castañuela y el bayuncoinundados son identificables en todos los swaths. EnIS2, IS6 e IS7 (no hay suficientes datos en IS1), sinembargo, se observan las mayores diferencias entreambas especies vegetales, que no son discriminablesen las imágenes de otoño e invierno.BIBLIOGRAFÍAClemente, L., Ventura-García, L., Espinar, J. L.,Cara, J. S. and Moreno, A. 2004. Las marismas delParque Nacional Doñana, Investigación y Ciencia.ESA 2006. Envisat ASAR Product Handbook, Is.2.1García, J. I., Mintegui, J. A. and Robredo, J. C.2005. La vegetación en la marisma del ParqueNacional de Doñana en relación con su régimenhidráulico. Ministerio de Medio Ambiente, Madrid.Rosich, B., and Meadows, P. 2004. Absolutecalibration of SAR Level-1 products generated withPF-ASAR. ESA technical note, version 1.4, 23.01.Saura, J., Bayán, B., Casas, J., Ruiz de LarramendiA. and Urdiales, C. 2001. Documento marco para eldesarrollo del proyecto Doñana 2005, Ministerio deMedio Ambiente, Sevilla.Ulaby, F. T., Moore, R. K. and A.K. Fung 1982.Microwave Remote Sensing: Active and Passive,Vol. II. Addison-Wesley, Reading, Massachusetts.En cuanto al almajar de los paciles, losresultados son contundentes: muestran claramenteque la inundación es discernible en IS2, IS3 e IS4, yno lo es en IS6 e IS7. En situaciones de cota deinundación elevada que afecte a los paciles, losswaths IS6 e IS7 no son apropiados.El coeficiente de retrodispersión en swathsIS3, IS4, IS6 e IS7 de las clases Castañuela yBayunco tras el verano, cuando la vegetación y el464