Estimación de flujos de agua entre suelo, vegetación y atmósfera mediante teledetección = Water fluxes estimation between soil, vegetation and atmosphere using remote sensing

En la frontera entre la superficie terrestre y la atmósfera se producen numerosos procesos físicos relacionados con el ciclo hidrológico. Cuando se producen precipitaciones en forma de lluvia, y el agua alcanza la superficie terrestre, una parte llega al suelo y otra parte puede ser interceptada por la vegetación. La fracción que llega al suelo se infiltra en la zona no saturada donde se almacena, lo humedece, disuelve los elementos que son absorbidos posteriormente por la vegetación y modifica las propiedades físicas del suelo. Para que la vegetación pueda desarrollarse es necesario que la planta abra los estomas, absorba CO2 y realice la fotosíntesis. Durante este proceso se produce una pérdida de agua a través de la hoja, que si es lo suficientemente grande puede llegar a hacer que la planta marchite si no es capaz de reponerla del suelo. El agua del suelo es devuelta a la atmósfera posteriormente mediante la evaporación y la transpiración de las plantas. La primera parte del trabajo se ha centrado en la estimación de parámetros biofísicos y estructurales de la vegetación, concretamente los relacionados con el contenido de agua. Para ello se han empleado numerosos datos recogidos en campo a lo largo de dos años fenológicos completos y se relacionaron con las medidas espectrales a dos escalas diferentes, campo y sensor MODIS (500 m). El contenido de agua se calculó usando tres métricas diferentes calculadas a partir de la misma muestra, el Contenido de Humedad de la Vegetación (FMC), el Espesor Equivalente de Agua (EWT) y el Contenido de Agua del Dosel (CWC). Además se usaron dos estimaciones a partir de Modelos de Transferencia Radiativa (RTM) para la obtención del FMC y CWC que fueron comparados con las obtenidas a partir de los modelos empíricos creados a partir los índices espectrales. Otras variables relacionadas como el contenido de materia seca (Dm) y el índice de área foliar (LAI) fueron también evaluadas usando índices de vegetación. Entre los resultados destacables de este estudio se encuentran en primer lugar los relacionados con el protocolo de recogida de datos en campo. En este estudio se obtuvieron evidencias de que las diferencias temporales a la hora de recoger datos en campo son más importantes que las diferencias espaciales en este ecosistema. Además se demostró la necesidad de mostrar consistencia en el protocolo de muestreo: tamaño de la muestra, hora de recogida de las muestras, etc. y en la importancia de evitar, en lo posible la toma de decisiones, generalmente subjetivas, por parte de los operadores de campo. Otro resultado destacable ha sido demostrar la existencia de una alta variabilidad del Dm a lo largo del año. Esto indica que asumir, como sugieren algunos autores, un valor constante de Dm para la estimación del espesor equivalente de agua a partir del contenido de humedad de la vegetación no es una opción viable en este ecosistema. De los índices de vegetación que fueron comparados en el estudio, el que presentó menores correlaciones fue el Índice de Vegetación Resistente a la Atmósfera (VARI). Se observaron algunas diferencias en el comportamiento de los modelos empíricos obtenidos con MODIS y las producidas a partir de medidas espectrales de campo, obteniendo resultados algo mejores en el caso de MODIS. Este hecho posiblemente sea debido a que las adquisiciones de del sensor MODIS presentan diferentes ángulos de observación, lo que reduce la proporción de suelo captada por el sensor y por lo tanto capturando una mayor proporción del dosel. La comparación entre los modelos empíricos y las estimaciones a partir de RTM demostró que en este caso los modelos empíricos aún mejoran las estimaciones de los modelos físicos desarrollados en zonas similares para estimar el contenido de humedad de la vegetación. La segunda parte del trabajo se ha centrado en la estimación del contenido de humedad del suelo combinando datos ópticos y térmicos mediante el cálculo del Índice de Temperatura y Sequedad de la Vegetación (TVDI) cuya obtención se basa en la técnica del triángulo. Se han investigado diferentes factores que afectan a la definición del triángulo, y cómo estos afectan los valores del TVDI y a su relación final con el contenido de humedad del suelo. En este trabajo se introdujo una modificación al cálculo del TVDI en la que se sustituyó el Índice de Vegetación de Diferencia Normalizada (NDVI) por el Índice de Diferencia Infraroja Normalizada (NDII). Esta modificación se tradujo en una mejora en el comportamiento de los modelos empíricos para estimar el contenido de humedad del suelo. Finalmente en la tesis se investiga el comportamiento de la EF en la zona de estudio y su estimación a partir de teledetección. El principal motivo del empleo de la EF es que ha sido ampliamente utilizada para estimar la evapotranspiración diaria, asumiendo que la EF es constante a lo largo del día. A partir de las medidas recogidas por una torre de flujos se han evaluado las variaciones diarias y se han validado las estimaciones de EF calculadas a partir de imágenes Landsat. Se ha usado una nueva versión modificada de la técnica del triángulo en la que se ha introducido el índice de área foliar adaptado a la escala Landsat a partir del producto MODIS (de 1 km a 30 m) como sustituto del índice de vegetación. Además se muestra un innovador método basado en las estadísticas propias del triángulo para la selección de las fechas a incluir en el análisis estadístico. La validación de las estimaciones de EF se ha llevado a cabo de dos maneras diferentes: usando las contribuciones de todos los pixeles incluidos en la zona de influencia de la torre; y utilizando el valor del único pixel correspondiente a la localización de la torre, mostrando ambas aproximaciones escasas diferencias en cuanto a resultados. Además se han comparado las EF diarias y la correspondiente a la hora de la pasada de Landsat sobre la zona de estudio. En este caso se observaron mayores diferencias, lo cual indica que el supuesto de una EF constante a lo largo del día ha de ser tomada con ciertas precauciones si el objetivo final es el cálculo de la evapotranspiración diaria.