Cálculo de superficie forestal quemada por especie

En esta nueva entrada del blog vamos a  repasar como obtener el área afectada por un incendio forestal como ya vimos en nuestra entrada “cartografía de incendios forestales” mediante imágenes satelitales de Sentinel-2. Además una vez obtenida el área del incendio, vamos a ver cómo podemos realizar una estimación de la superficie forestal quemada por especie a partir de los datos proporcionados por el mapa forestal de máxima actualidad. Todo el proceso de cálculo lo realizaremos con QGIS 3.6 Noosa, utilizando como ejemplo un monte recientemente afectado por incendio en Asturias.

Como ya sabemos el satélite Sentinel 2 perteneciente al programa Copernicus de la Agencia Espacial Europea, captura imágenes multiespectrales de 13 bandas entre las longitudes de onda del espectro electromagnético de 0,444 μm a 2,191 μm.

Satélite Sentinel 2

Para la zona de estudio descargamos en primer lugar un juego de bandas sentinel 2 para antes del incendio y otro para después (lo más próximas en el tiempo posible), procurando buscar las imágenes con 0% de nubosidad o el mínimo porcentaje posible para obtener mejores resultados. Analizamos la zona quemada comparando ambas imágenes para ver su extensión y calculamos diferentes índices de vegetación con los que podemos extraer esta zona, escogiendo el índice que nos permita obtener un mejor resultado. En este caso se comparan los resultados obtenidos con los índices NDVI y NBR.

Vemos en primer lugar la zona quemada antes y después del incendio con las imágenes sentinel 2 en color verdadero RGB. Previamente se debe realizar una corrección atmosférica de las bandas con la herramienta de pre-procesado que a tal fin tiene el plugin Semi-Automatic classification de QGIS. Vemos una comparativa de la imagen de la zona antes del incendio con y sin corrección atmosférica, apreciando así la importancia de esta corrección para un buen resultado.

Imagen sentinel 2 en RGB antes de corrección atmosférica (izquierda) y después (derecha)

A continuación con las bandas corregidas se realiza una composición RGB de las bandas (4-3-2) mediante el mismo complemento de QGIS. Realizando este mismo proceso con la imagen antes y después del incendio, podemos comparar el área quemada y realizar una primera estimación de la localización e importancia del incendio.

Imagen sentinel 2 en RGB antes del incendio (izquierda) y después del incendio (derecha)

En la comparativa de las imágenes vemos la zona ennegrecida tras el incendio, localizando así el área quemada.

Ahora vamos a calcular el índice de vegetación NDVI (Normalized Differential Vegetation Index) que permite ver la presencia o ausencia de vegetación, así como el estado en que se encuentra la vegetación existente. Para ello se aprovecha la absorción de la clorofila de la vegetación en el espectro de la banda roja (banda 4 de Sentinel 2) y su reflectancia en el espectro de la banda del infrarrojo cercano (banda 8A de Sentinel 2). La vegetación afectada por el incendio mostrará mayor reflectividad en la banda del rojo y menor en la banda del infrarrojo, justo al contrario de lo que pasa con la vegetación sana. El NDVI se calcula gracias a la relación de ambas bandas mediante la fórmula:

Vemos así el resultado obtenido de calcular el NDVI para las bandas (con corrección atmosférica) tanto de la imagen antes del incendio como después del incendio. Los resultados deberán oscilar entre -1 y 1, sabiendo que por norma general se considera zonas con vegetación con valor por encima de 0,2.

NDVI antes y después del incendio

En esta última imagen animada, vemos la diferencia del NDVI antes y después del incendio. La zona en que se vislumbra el mayor cambio de NDVI de colores verdes hacia colores rojos y naranjas, es la zona que ha sufrido el incendio. En el resto de la zona el NDVI a penas cambia ya que además ambas imágenes son de la misma estación meteorológica (invierno) e incluso del mismo mes (febrero), separando a penas diez días una imagen de otra con lo que evitamos la interferencia de variaciones del NDVI por otras causas distintas al incendio (como la diferencia en el estado vegetativo entre una estación y otra).

Finalmente podemos obtener el área quemada por resta del ráster con el NDVI posterior al incendio menos el ráster anterior al incendio. El área quemada tendrá valores negativos en la resta de estos dos rásters, ya que el NDVI lógicamente habrá descendido. Así podemos aislar esta zona negativa mediante una máscara con la calculadora ráster de QGIS y posteriormente vectorizar el área quemada, de esta forma podremos además obtener el cálculo de la superficie quemada (unas 67 hectáreas en este caso).

Área quemada extraída del NDVI en formato raster (izquierda) y en vectorial (derecha).

A continuación calculamos también el índice de severidad de incendios NBR (Normalized Burn Ratio) que aprovecha las ventajas de la región SWIR (infrarrojo de onda corta) y de la región NIR (infrarrojo cercano) del espectro electromagnético. Concretamente para las bandas de Sentinel 2, utiliza la siguiente fórmula:

Los valores resultantes del NBR oscilarán entre -1 y 1, indicando valores más positivos una vegetación vigorosa mientras que valores más negativos indicarán suelo desnudo y terreno quemado recientemente en los valores más negativos. En la siguiente imagen vemos una comparativa del NBR resultante para la zona afectada por el incendio de este caso, primero en canal monobanda en blanco y negro (apreciando la zona quemada en un color más negro) y en pseudocolor con una clasificación en rangos de color que se debe estudiar hasta dar con los rangos más adecuados para representar el área quemada. En este caso simplemente se representa con un rango de dos colores, mostrándose en rojo aquellas zonas con valor negativo y observando cómo se corresponde perfectamente al área quemada.

Área quemada extraída del NBR en formato ráster en blanco y negro (izquierda) y en color (derecha)

Una vez hemos conseguido aislar el área quemada en el ráster resultante de calcular el NBR, podemos al igual que antes extraer esta área mediante una máscara de la calculadora ráster de QGIS y el resultado vectorizarlo. Así una vez obtenida el área en formato vectorial podemos volver a estimar el área quemada (en este caso resultan unas 66,5 hectáreas, siendo la diferencia entre un cálculo y otro de apenas media hectárea). Hemos visto así dos formas de extraer la cartografía del área quemada en un incendio forestal con una gran precisión.

Con el área quemada ya extraída en formato vectorial (nos quedamos con la resultante de la resta de los NDVI), vamos con la siguiente parte de este trabajo que es extraer el mapa forestal correspondiente a esta área quemada y finalmente calcular la superficie por especie forestal afectada en este incendio. Para ello en primer lugar cargamos en QGIS el mapa forestal de máxima actualidad correspondiente a la zona del incendio. En España podemos descargar el mapa forestal de máxima actualidad de cada comunidad autónoma de forma gratuita desde la web del Ministerio de Agricultura, Pesca y Alimentación en: https://www.mapa.gob.es/es/cartografia-y-sig/ide/descargas/desarrollo-rural/mfe.aspx

 

Una vez tenemos el archivo vectorial del mapa forestal cargado en QGIS, podemos recortarlo según la máscara del área quemada que obtuvimos anteriormente. Así ya tenemos el mapa forestal del área incendiada. En este caso en el mapa forestal del área quemada indica una zona en la que predomina el matorral y en la que se encuentran tres especies forestales formando masa mixta, concretamente el castaño (Castanea sativa), rebollo (Quercus pyrenaica) y carballo (Quercus robur). También se indica una pequeña zona de pasto.

Calculando la superficie en hectáreas obtenemos los siguientes resultados para este incendio:

Matorral	65,23 ha
Masa mixta (castaño, rebollo y carballo)	1,5 ha
Pastos	0,31 ha

Vemos por tanto para este caso que el incendio afectó en su práctica totalidad a zona de matorral, aproximando también la pequeña superficie arbolada afectada por este incendio.

De esta forma hemos visto como obtener una estimación sobre las especies forestales quemadas en un incendio forestal a partir de las imágenes de sentinel 2 y del mapa forestal. Podemos así hacer una buena valoración de la magnitud del incendio y su importancia.