Aplicación de la Geomática: Estudio comparativo de sensores multiespectrales para la identificación de parámetros de Calidad del Agua del Lago de Valencia – Venezuela

Autores: Freddy Flores A, Glenis Valencia G, Maritza Silva C. / Centro de Procesamiento Digital de Imágenes (CPDI).FIIIDT. 

 

Introducción.

   El trabajo original producto de esta investigación fue presentado en el 1^er Congreso Nacional de Geomática 2015, bajo la autoría de Carmen Goitía y Wuilian Torres, ambos profesionales jubilados adscritos al Centro de Procesamiento Digital de Imágenes de la Fundación Instituto de Ingeniería.

   La siguiente aplicación es uno de los variados campos donde la Geomática es de gran utilidad, para esto se consideró como área de estudio el importante reservorio de agua, el lago de Valencia, localizado en la región centro-norte de Venezuela, entre los estados Aragua y Carabobo, perteneciente a la cuenca endorreica del mismo nombre, el cual ha sufrido un severo y sostenido deterioro en la calidad de sus aguas en el tiempo, y un acelerado proceso de mineralización y eutrofización, por ser el receptor de los desechos domésticos, agrícolas e industriales provenientes de las actividades de la cuenca, entre estos, los provenientes de las importantes ciudades Maracay y Valencia; además presenta características para un estudio de este tipo, y de importancia para el país, de tamaño de 356 Km² y con varios niveles de contaminación. Este estudio tuvo como objetivo comparar la distribución espacial de los parámetros de calidad de agua, clorofila y sólidos en suspensión utilizando sensores multiespectrales.

   Se utilizaron imágenes tomadas por los sensores de los satélites Landsat 8 y Miranda (Venezuelan Remote Sensing Satellite 1- VRSS-1), con resolución espacial y temporal favorable para el estudio, adquiridas para cinco (5) fechas diferentes y empleando técnicas de procesamiento digital (correcciones atmosféricas, radiométricas, geométricas) e interpretación de imágenes, para  identificar parámetros de calidad de sus aguas. Para esto se analizó la presencia de clorofila y sólidos en suspensión, como indicadores principales del estado trófico en un cuerpo de agua, ya que estos presentan una respuesta espectral característica, que pueden ser captadas por el satélite a través de los cambios de la radianza y reflectancia en la superficie del agua. La información analizada se presentó en imágenes de distribución de los mismos, los cuales ayudan a comparar la evolución de cada parámetro en el tiempo analizado.

   El uso de la teledetección permite cada día, realizar un adecuado estudio y seguimiento de la calidad de las aguas en lagos, embalses, etc., por medio de detección de sustancias disueltas o partículas en suspensión que modifican las propiedades ópticas del agua (Martínez y Serrano, 1994). El uso masivo de las imágenes de satélite ha sido en los últimos años de gran importancia para el estudio y monitoreo de parámetros de la calidad del agua, permitiendo la evaluación de grandes reservorios en tiempos relativamente cortos y a bajos costos, ya que estableciendo modelos con la información provenientes de las imágenes y la toma de muestras coincidentes con la fecha del paso del sensor, proporciona estimaciones sobre la calidad de sus aguas. La clorofila-a, la transparencia y los sólidos en suspensión son los parámetros más utilizados para determinar el estado trófico de un cuerpo de agua a través de sensores remotos. La clorofila se correlaciona con la biomasa total del fitoplancton debido a que es el principal pigmento presente en las algas (Richie et al, 2003), y con la transparencia, que viene determinada por la cantidad de partículas en suspensión, los pigmentos disueltos y las propias características del agua. (Verdin et al, 1976).

   Desde los años 1990 se han realizado estudios para evaluar el estado trófico de este lago por correlación entre la información suministrada por las imágenes adquiridas por el satélite Landsat y mediciones en campo de parámetros asociados a la calidad de agua: clorofila y transparencia. En el año 2008 utilizando imágenes obtenidas por el sensor Modis del satélite Terra, con una frecuencia de toma diaria, de baja resolución espacial, y complementada con información recopilada en estaciones de medición dentro del lago, se propusieron técnicas de análisis geo estadístico por medio de Kriging para construir un modelo que permitiera predecir la evolución en el tiempo de algunos parámetros asociados a la calidad del agua. (De la Hoz,  2008). El sensor Thematic Mapper (TM) de Landsat ha sido usado en diferentes estudios dando muy buenos resultados para el estudio de variables indicadoras del estado trófico en cuerpos de agua como la concentración de clorofila, la transparencia y las partículas en suspensión (Doña et al, 2009).

Metodología

   Para realizar el estudio se utilizaron diez (10) imágenes, cinco (5) del Satélite Landsat-8 y cinco (5) del Miranda descargadas de los archivos existentes, a través de las páginas web: www.landsat.usgs.gov y www.abae.gob.ve; tratando en lo posible de seleccionar fechas coincidentes o cercanas en las tomas, y con la menor cobertura de nubes (Tabla 1).Ademásse utilizaron programas para el procesamiento digital e interpretación de las imágenes de satélite.

   Una vez obtenidas las imágenes y utilizando el software de procesamiento de imágenes ENVI CLASSIC, se hicieron los procesos que se indican a continuación:

1. Correcciones atmosférica, geométrica y radiométrica para poder compararse en el caso de las Landsat. Por su parte las imágenes del Miranda, no fueron corregidas radiométricamente por no tener los parámetros de calibración del satélite.
2. Se aplicó a las imágenes una máscara con la finalidad de eliminar la información de la porción terrestre y poder considerar solo la correspondiente a agua. Una vez aplicada la máscara a cada imagen, se hizo un análisis visual (distribución espacial) en cada banda y combinaciones, basada en los histogramas, apoyada por la matriz de correlación previamente obtenida, los cocientes entre ellas y el índice de vegetación normalizado, identificando donde se observaba mayor información de los parámetros, clorofila y sólidos en suspensión.
3. Para obtener las imágenes resultantes, a través de un árbol de decisiones, se definieron los rangos de valores en que se pueden presentar los máximos y mínimos para los parámetros en estudio (Figura 1).

Resultados

   Al observar las imágenes del satélite Landsat 8 y Miranda, se detectó como surge el afloramiento algal en la zona suroeste del lago, cercanas a la costa y asociada a los sólidos en suspensión, donde se evidencias las diferencias entre las distintas fechas a lo largo del año, en este caso en el último mes del año 2013 y los tres primeros meses del 2014. Los cambios que se observan pueden corresponder a corrientes existentes en el lago o a las descargas que hacen posible la dispersión de los sedimentos.

  

En las composiciones coloreadas de las bandas 5, 4 y 3 del satélite Landsat 8 y las bandas 4, 3, 2 del Miranda se observa bien definido el patrón de corrientes del lago, siendo la dirección de las corrientes superficiales noroeste, probablemente debido un afloramiento algal, en mayor o menor cantidad en la zona sureste cercanas a la costa y asociada a sólidos en suspensión. También se pueden observar, en la región oriental, zonas inundables con erosión de moderada a baja, mientras que en la región occidental se presentan zonas de acumulación debido a la dirección de las corrientes y al oleaje que provoca remoción de sedimentos (Figura 2).

   En las imágenes obtenidas del índice de vegetación para cada fecha en estudio y satélite se obtuvo lo siguiente:

1. En la imagen del Miranda 30-11-2013 se observa poca presencia de algas en la zona sureste y mayor presencia de sólidos en la zona oriental, mientras que en la imagen Landsat del 04-12-2013, el afloramiento algal es más notorio, representado en un área de 48,93 Km², calculados mediante la cantidad de pixeles y la resolución del satélite que es 30m, lo cual puede deberse al flujo de los principales efluentes de esa zona por la escorrentía que trae alta carga de nutrientes. En la imagen del satélite Miranda puede corresponder a dilución por acción de las lluvias, o a ninguna escorrentía ni descarga en el momento de la toma de la imagen (Figura 3).

   

2.  En los mapas temáticos de fecha 04 y 05 de enero del 2014 de los satélites Miranda y Landsat 8 respectivamente, se puede observar un comportamiento muy similar, donde no se presentan sólidos en suspensión ni afloramientos algales relevantes (Figura 4).

   

3. El mes de enero pareciera de poco movimiento de corrientes y descargas en el lago ya que continua el patrón presentado en las imágenes anteriores de la figura 4, pero el último día del mes en la imagen del satélite Miranda, empieza a observarse un afloramiento algal en la zona sureste, con un área de 34,8 km² comparada con la del Landsat de 5 Km² (Figura 5).

   

4. En las imágenes del mes de febrero se observa mayor cantidad de clorofila en el mapa del Landsat 8 comparada con la del Miranda, la diferencia es sustancial de 82,3% contra el 13,7% respectivamente de ocupación en el área (Figura 6).

   

5. Las imágenes del mes de marzo tienen un comportamiento predecible con respecto a las fechas de toma, lo que pareciera influir son las corrientes, las posibles descargas de afluentes con gran cantidad de nutrientes asociados con sólidos en suspensión (Figura 7).

 

Discusión de los Resultados

1. Los resultados obtenidos constatan, que los sensores remotos son una herramienta útil para determinar el nivel de eutrofización en un cuerpo de agua, así como la evolución de la contaminación en superficie en lagos, embalses, etc.
2. La distribución espacial de los parámetros en estudio se observa bien definida en cada una de las imágenes, lo que permite hacer un seguimiento de la evolución de la calidad de sus aguas. De acuerdo con la bibliografía consultada, se pueden establecer diferentes modelos utilizando datos experimentales en campo que coincidan con el pase del satélite y obtener un diagnóstico para evaluar el comportamiento de estos cuerpos de agua, ubicando las principales fuentes de contaminación, de manera de establecer un programa de caracterización a un menor costo y tiempo.

 

Referencias Bibliográficas

1. DE LA HOZ, C. (2008). Predicción del nivel de contaminación en la cuenca del lago de valencia mediante técnicas geo estadísticas y de teledetección. Trabajo de grado. UCV. Facultad de Ciencias. Caracas.
2. DOÑA, C., CASELLES, V., SÁNCHEZ, J. M., FERRIL, A., & CAMACHO, A. (2009). Herramienta para el estudio del estado de Eutrofización de masas de agua continentales, Revista de Teledetección 36, pp. 40-50.
3. EXPERIENCIAS PROPIAS. Personal Técnico y Profesional del Centro de Procesamiento Digital de Imágenes-Fundación Instituto de Ingeniería.
4. GOITÍA C. Y TORRES W. (2015). Estudio comparativo de sensores multiespectrales para la identificación de parámetros de calidad del agua del Lago de Valencia – Venezuela.
5. MARTÍNEZ, R., SERRANO, M. (1994). Seguimiento del estado trófico de los embalses del Alto Tajo por teledetección. Limnetica, 10 (1), 69-81. Asociación Española de Limnologia, Madrid – España.
6. ORGANIZACIÓN PARA LA COOPERACIÓN Y DESARROLLO ECONÓMICO (OCDE) octubre 2003
7. RICHIE, J., ZIMBA, P.& EVERITT, J. (2003).Remote Sensing Techniques to Assess Water Quality. Photogrametric Engineering & Remote Sensing. Vol. 69. (6), pp.695-704.
8. VERDIN, J., WILIAMS, L., & LAMBOU, V. (1976). Components contributing to light extinction in natural waters: Method of isolation (National Eutrophication Survey Working Paper 369 Ed.). Las Vegas, Nev.U.S. Environmental Protection Agency.

 

Contacto: freddyfloresa@gmail.com