Definición de firmas espectrales para delimitar fases cartográficas

de suelos

2013

Cesar Valbuena Calderón

Carlos Enrique Castro Méndez

Subdirección de Agrología.

Se han desarrollado nuevas técnicas de monitoreo de la salinidad basadas en la

medición de reflectancia de la superficie terrestre mediante los sensores remotos

y mediciones con espectroradiómetro(Taylor et al., 1996). El análisis de las

firmas espectrales se usa para localizar áreas de concentración de sales y

detectar los cambios que ocurren en el tiempo y el espacio (Metternicht y Zinck,

2003).

A nivel nacional se ha avanzado muy poco en el uso de la espectroradiometría,

por ejemplo los proyectos de investigación adelantados por el CIAF sobre el

desarrollo y diseño del sistema de información espectral en el 2008

(almacenamiento, análisis y publicación de las firmas espectrales). Además,

elaboración de un instructivo para la calibración y operación del

espectroradiómetro - HR4000 (2010).

Existe disponible poca información espacial sobre fases cartográficas de suelos.

Por tal razón, se requiere encontrar un método alternativo para identificar y

mapear fases cartográficas de suelos a nivel detallado. La solución puede ser

encontrada en el uso de la espectroradiometría de campo e información de

sensores remotos.

Introducción

La espectroradiometría de campo

La espectroradiometría de campo se define como una ciencia que se

encarga de estudiar cuantitativamente la Tramitancia, Reflectancia y

Radiancia, utilizando diferentes dispositivos portátiles tanto en laboratorio

como en campo.

La reflectancia de características del suelo se puede obtener en laboratorio

o in-situ. La reflectancia de rasgos de los suelos es función de algunas de

sus propiedades o efecto ambiental o de manejo, propiedades como son el

contenido de materia orgánica, humedad, textura, contenido de óxidos de

hierro, conductividad eléctrica, color y rugosidad.

Firmas espectrales

La firma espectral es la medida cuantitativa de las propiedades espectrales de

un objeto en una o varias bandas espectrales. La firma espectral hace

referencia a la forma en que una cubierta refleja o emite su energía a distintas

longitudes de onda y este comportamiento sirve para diferenciar unas cubiertas

de otras

Objetivo general

Diseñar una metodología para la aplicación de espectroradiometria de

campo en la identificación y potencial mapeo de fases cartográficas de

suelos.

Objetivos Específicos

Definir un protocolo para la captura de firmas espectrales en campo con

énfasis en la caracterización espectral de fases cartográficas de suelos.

Aplicar el protocolo diseñado para la captura de firmas espectrales en

campo en un área piloto.

Generar mapas de fases cartográficas de suelos utilizando como base

información de espectroradiometria de campo y sensores remotos.

Espectroradiometría para la identificación y mapeo de fases

cartográficas de suelos

1. Etapa de Pre-campo:

a. Recolección de Información secundaria (estudio detallado de suelos

Puerto Salgar - 2010)

b. Procesamiento y transformación de imágenes de satélite

- Brovery

- Tasseled Cap

c. Diseño de muestreo y ubicación de transectos

d. Elaboración del protocolo para la captura de firmas en campo

2. Etapa de campo:

a. Ubicación de transectos transversales a lo largo de patrones

de distribución de las unidades de las fases cartográficas de

suelos (Unidad mínima de muestreo)

b. Recolección de información de espectroradiometría, toma de

muestras y uso del formato de campo

c. Aplicación del protocolo para la captura de firmas en campo

3. Etapa post-campo

a. Construcción firmas espectrales

b. Elaboración del mapa de fases cartográficas de suelos y su

leyenda

c. Análisis de resultados

d. Proceso de validación

Aplicación del protocolo para la captura de firmas espectrales en

levantamiento de suelos en un área piloto

Municipio de Puerto Salgar

Gráfica del balance hídrico climático de la unidad climática

Cálido Húmedo (municipio de Puerto Salgar).

Unidades de análisis

Fases

Definición

Imágenes (Ejemplo -

Puerto Salgar)

Pedregosidad

superficial

Señala la presencia en superficie de

abundantes fragmentos de roca de

diferentes tamaños.

Salinidad

Indicadores de salinidad son la presencia y

formación de costras blancas y

eflorescencias de forma irregular sobre la

superficie de suelos salinos y manchas

oscuras en suelos alcalinos.

Encharcamiento

Encharcamientos se identifican a partir de

la cobertura vegetal asociada a zonas

húmedas o encharcadas. Las especies

vegetales indicadoras de humedad varían

para cada región.

Erosión

Conjunto de procesos en la superficie de la

corteza terrestre, que producen pérdida de

materiales en grado variable, por la acción

natural de agentes morfogénicos, como

agua y el viento que puede acelerarse por

acción del hombre.

Se caracteriza por diferentes rasgos como

sus tonalidades de colores y distribución

espacial irregular.

Aplicación de la técnica del Algoritmo de la transformada de

Brovery en una imagen Landsat para realzar los contrastes

de color. En colores claros se representa la erosión,

pedregosidad, salinización y la vegetación se observa de

color rojo y verde

Diseño de muestreo: Red flexible de acuerdo a la variación de las distintas

unidades cartográficas sobre los transectos.

Procedimiento para realizar la captura de firmas espectrales de

fases cartográficas de suelos en campo.

1. Preparación del espectroradiómetro

2. Calibración del espectroradiómetro

Radiómetro SPOT CIMEL CE 310

Panel de

calibración

(blanco de

referencia)

3. Captura de información espectral mediante radiometría de

campo

Figura 1. Procedimiento utilizado con el radiómetro SPOT CIMEL CE 310 con un campo de visión constante de 12.5 grados y altura del lente de medición sobre el suelo de 50cm (Izquierda) y 3 m (derecha).

4. Registro de información en el formato de campo.

Medición con el conductímetro para

suelos salinos.

5. Toma de muestras de fases cartográficas de suelos.

Figura 1. Procedimiento para la toma superficial de muestras de suelo erosionado.

Datos obtenidos en campo

cateo V R IR V R IR V R IR V (PROMEDIO) R (PROMEDIO) IR (PROMEDIO) Altura LATITUD LONGITUD HORA FASE CARTOGRAFICA TIPO DE RELIEVE

FE1 A 173 196 266 168 194 269 175 203 283 172,00 197,67 272,67 3 5° 44´7,53834 74°36´28,1300 08:26 PEDREGOSIDAD (CANTOS RODADOS)LADERAS DE TERRAZA ANTIGUA- LOMERIOS

B 238 269 396 267 322 426 257 312 413 254,00 301,00 411,67 0,5

FE2 A 136 181 250 137 182 252 134 179 251 135,67 180,67 251,00 3 5° 44´3,82290 74°36´31,53066 09:15 PEDREGOSIDAD (CANTOS RODADOS)LADERAS DE TERRAZA ANTIGUA- LOMERIOS

B 148 179 235 151 184 252 152 212 264 150,33 191,67 250,33 0,5

FE3 A 154 173 227 153 172 226 152 173 227 153,00 172,67 226,67 3 5° 43´58,11898 74°37´2,50434 09:40 PEDREGOSIDAD (CANTOS RODADOS)LADERAS DE TERRAZA ANTIGUA- LOMERIOS

B 162 198 244 165 198 241 170 197 244 165,67 197,67 243,00 0,5

FE4 A 166 174 223 166 174 222 165 173 221 165,67 173,67 222,00 3 5° 45´11,1607 74°34´26,704 11:26 SALINIDAD (SELENIO) PLANO DE INUNDACION - VEGA RIO NEGRO

B 168 177 234 168 175 235 170 176 233 168,67 176,00 234,00 0,5

FE5 A 52 54 68 54 53 67 53 51 67 53,00 52,67 67,33 3 5° 45´12,0602 74°34´26,17902 11:40 SALINIDAD (SELENIO) PLANO DE INUNDACION - VEGA RIO NEGRO

B 56 57 76 56 57 77 56 57 76 56,00 57,00 76,33 0,5

FE6 A 149 93 108 102 95 109 106 99 108 119,00 95,67 108,33 3 5° 45´10,04016 74°34´29,2914 11:50 SALINIDAD (SELENIO) PLANO DE INUNDACION - VEGA RIO NEGRO

B 103 102 111 103 103 112 102 102 111 102,67 102,33 111,33 0,5

FE7 A 142 132 162 147 150 167 155 153 186 148,00 145,00 171,67 3 5° 44´7,53834 74°36´28,1300 11:53 SALINIDAD (SELENIO) PLANO DE INUNDACION - VEGA RIO NEGRO

B 86 87 111 85 87 111 84 87 111 85,00 87,00 111,00 0,5

FE8 A 174 186 217 190 186 243 195 195 234 186,33 189,00 231,33 3 5° 45´9,21996 74°34´32,71992 12:32 SALINIDAD (SELENIO) PLANO DE INUNDACION - VEGA RIO NEGRO

B 168 168 208 165 169 208 163 167 206 165,33 168,00 207,33 0,5

FE9 A 72 76 88 73 77 87 76 78 94 73,67 77,00 89,67 3 5° 45´9,302204 74°34´36,02982 12:42 SALINIDAD (SELENIO) PLANO DE INUNDACION - VEGA RIO NEGRO

B 84 85 95 86 87 100 87 89 103 85,67 87,00 99,33 0,5

FE10 A 83 65 413 90 73 448 90 72 449 87,67 70,00 436,67 3 5° 41´58,38330 74°36´17,32932 15:22 ENCHARCAMIENTO (PASTO MACIEGA)PARTE DISTAL DEL GLACIS DE ACUMULACION

B 95 68 387 122 81 487 122 88 567 113,00 79,00 480,33 0,5

FE11 A 0,7 63 345 62 53 314 59 50 302 40,57 55,33 320,33 3 5° 41´59,52024 74°36´18,12504 15:55 ENCHARCAMIENTO (PASTO MACIEGA)PARTE DISTAL DEL GLACIS DE ACUMULACION

B 0,3 31 113 28 30 100 24 27 93 17,43 29,33 102,00 0,5

FE12 A 0,84 64 392 41 29 179 42 28 187 27,95 40,33 252,67 3 5° 42´0,59814 74°36´18,85572 15:44 ENCHARCAMIENTO (PASTO MACIEGA)PARTE DISTAL DEL GLACIS DE ACUMULACION

B 0,77 72 346 78 66 319 57 45 227 45,26 61,00 297,33 0,5

FE13 A 113 113 159 121 121 163 122 123 167 118,67 119,00 163,00 3 5° 31´58,42926 74°37´48,35316 07:52 EROSIÓN (ARENAS) TERRAZA DISECTADA ANTIGUA- LOMERIO

B 206 197 241 216 213 258 216 222 262 212,67 210,67 253,67 0,5

FE14 A 204 221 250 205 221 251 205 222 251 204,67 221,33 250,67 3 5° 31´24,78096 74°38´9,02592 08:05 EROSIÓN (ARENAS) TERRAZA DISECTADA ANTIGUA- LOMERIO

B 165 172 199 164 170 198 161 165 193 163,33 169,00 196,67 0,5

FE15 A 159 166 197 163 169 200 162 168 199 161,33 167,67 198,67 3 5° 31´25,91586 74°38´9,57486 09:26 EROSIÓN (ARENAS) TERRAZA DISECTADA ANTIGUA- LOMERIO

B 198 206 231 194 207 232 192 205 231 194,67 206,00 231,33 0,5

Método de espectroradiometría

Construcción de firmas espectrales:

Convertir a formato ASCII y exportar a ENVI para crear la

librería espectral para las fases cartográficas de suelos.

Promedio y se examina las curvas espectrales para detectar

irregularidades.

Resultados obtenidos con espectroradiometría

de campo

Clasificación Espectral

1. Conversión a reflectancia

Figura. Vista previa de las Imágenes de reflectancia (centro–Landsat y derecha-Rapideye) y la

imagen original - sin correcciones (izquierda).

Algoritmo Spectral Angle Mapper (SAM)

clasificación supervisada a escala de pixel, calculada con base en la similitud del espectro de

cada píxel de la imagen y los espectros referencia (endmembers).

Mapeo de fases cartográficas de suelos

Fases

Landsat

RapidEye

Pedregosidad

Salinidad

Encharcamiento

Erosión

Conclusiones

El estudio de caso demuestra un método práctico y técnico para mapear

fases cartográficas de suelos en base a firmas espectrales e información de

sensores remotos.

El método de clasificación de imágenes con el uso de firmas espectrales

que se muestra más adecuado es el Spectral Angle Mapper (SAM).

No es sencillo establecer una relación entre las propiedades de las fases

cartográficas de suelos y sus curvas espectrales, puesto que son muchos los

factores que inciden en la variabilidad espectral y espacial, por lo que resulta

necesario el mantenimiento de líneas de investigación para la evaluación de

los suelos que a partir de estas técnicas no destructivas, aporten resultados

rápidos para el estudio, conservación y mejora de los suelos.

Recomendaciones

llevar a cabo muestreos con diferentes tipos de suelos, con diferentes texturas, contenido

de materia orgánica y diversos niveles de humedad para reconocer las diferencias y la

influencia de estas variables en la respuesta espectral.

Para los estudios de salinidad, el momento adecuado para el trabajo de campo es crucial.

Por lo general, una estación seca es la preferida para llevar a cabo los estudios de salinidad

en el campo. Debido a que en temporada humedad se pueden causar problemas en la

interpretación de los resultados del estudio ya que la ocurrencia de sal en el suelo es

temporal, un evento de lluvia puede disolver la sal de la superficie y hacer que el nivel de

salinidad en la capa superior del suelo disminuya.

Es importante mejorar el rango espectral del espectroradiométro empleado, ya que es una

limitante para conocer otras regiones espectrales de interés de fases cartográficas de

suelos. Además, la capacitación de profesionales en temas como percepción remota en

suelos y el uso de diferentes métodos de análisis de datos será la base para continuar con

el desarrollo y uso práctico de este reciente campo del conocimiento.