Estrategias innovadoras para la gestión del riesgo de sequía en sistemas ganaderos extensivos

La vulnerabilidad de los sistemas ganaderos de pastoreo pone en evidencia la necesidad de herramientas para evaluar y mitigar los efectos de la sequía. El avance en la teledetección ha despertado el interés por explotar potenciales aplicaciones, y está dando lugar a un intenso desarrollo de innovaciones en distintos campos. Una de estas áreas es la gestión del riesgo climático, en donde la utilización de índices de vegetación permite la evaluación de la sequía. En esta investigación, se analiza el impacto de la sequía y se evalúa el potencial de nuevas tecnologías como la teledetección para la gestión del riesgo de sequía en sistemas de ganadería extensiva. Para ello, se desarrollan tres aplicaciones: (i) evaluar el impacto económico de la sequía en una explotación ganadera extensiva de la dehesa de Andalucía, (ii) elaborar mapas de vulnerabilidad a la sequía en pastos de Chile y (iii) diseñar y evaluar el potencial de un seguro indexado para sequía en pastos en la región de Coquimbo en Chile. En la primera aplicación, se diseña un modelo dinámico y estocástico que integra aspectos climáticos, ecológicos, agronómicos y socioeconómicos para evaluar el riesgo de sequía. El modelo simula una explotación ganadera tipo de la dehesa de Andalucía para el período 1999-2010. El método de Análisis Histórico y la simulación de MonteCarlo se utilizan para identificar los principales factores de riesgo de la explotación, entre los que destacan, los periodos de inicios del verano e inicios de invierno. Los resultados muestran la existencia de un desfase temporal entre el riesgo climático y riesgo económico, teniendo este último un periodo de duración más extenso en el tiempo. También, revelan que la intensidad, frecuencia y duración son tres atributos cruciales que determinan el impacto económico de la sequía. La estrategia de reducción de la carga ganadera permite aminorar el riesgo, pero conlleva una disminución en el margen bruto de la explotación. La segunda aplicación está dedicada a la elaboración de mapas de vulnerabilidad a la sequia en pastos de Chile. Para ello, se propone y desarrolla un índice de riesgo económico (IRESP) sencillo de interpretar y replicable, que integra factores de riesgo y estrategias de adaptación para obtener una medida del Valor en Riesgo, es decir, la máxima pérdida esperada en un año con un nivel de significación del 5%.La representación espacial del IRESP pone en evidencia patrones espaciales y diferencias significativas en la vulnerabilidad a la sequía a lo largo de Chile. Además, refleja que la vulnerabilidad no siempre esta correlacionada con el riesgo climático y demuestra la importancia de considerar las estrategias de adaptación. Las medidas de autocorrelación espacial revelan que el riesgo sistémico es considerablemente mayor en el sur que en el resto de zonas. Los resultados demuestran que el IRESP transmite información pertinente y, que los mapas de vulnerabilidad pueden ser una herramienta útil en el diseño de políticas y toma de decisiones para la gestión del riesgo de sequía. La tercera aplicación evalúa el potencial de un seguro indexado para sequía en pastos en la región de Coquimbo en Chile. Para lo cual, se desarrolla un modelo estocástico para estimar la prima actuarialmente justa del seguro y se proponen y evalúan pautas alternativas para mejorar el diseño del contrato. Se aborda el riesgo base, el principal problema de los seguros indexados identificado en la literatura y, que está referido a la correlación imperfecta del índice con las pérdidas de la explotación. Para ello, se sigue un enfoque bayesiano que permite evaluar el impacto en el riesgo base de las pautas de diseño propuestas: i) una zonificación por clúster que considera aspectos espacio-temporales, ii) un período de garantía acotado a los ciclos fenológicos del pasto y iii) umbral de garantía. Los resultados muestran que tanto la zonificación como el periodo de garantía reducen el riesgo base considerablemente. Sin embargo, el umbral de garantía tiene un efecto ambiguo sobre el riesgo base. Por otra parte, la zonificación por clúster contribuye a aminorar el riesgo sistémico que enfrentan las aseguradoras. Estos resultados han puesto de manifiesto que un buen diseño de contrato puede tener un doble dividendo, por un lado aumentar su utilidad y, por otro, reducir el coste del seguro. Un diseño de contrato eficiente junto con los avances en la teledetección y un adecuado marco institucional son los pilares básicos para el buen funcionamiento de un programa de seguro. Las nuevas tecnologías ofrecen un importante potencial para la innovación en la gestión del riesgo climático. Los avances en este campo pueden proporcionar importantes beneficios sociales en los países en desarrollo y regiones vulnerables, donde las herramientas para gestionar eficazmente los riesgos sistémicos como la sequía pueden ser de gran ayuda para el desarrollo. The vulnerability of grazing livestock systems highlights the need for tools to assess and mitigate the adverse impact of drought. The recent and rapid progress in remote sensing has awakened an interest for tapping into potential applications, triggering intensive efforts to develop innovations in a number of spheres. One of these areas is climate risk management, where the use of vegetation indices facilitates assessment of drought. This research analyzes drought impacts and evaluates the potential of new technologies such as remote sensing to manage drought risk in extensive livestock systems. Three essays in drought risk management are developed to: (i) assess the economic impact of drought on a livestock farm in the Andalusian Dehesa, (ii) build drought vulnerability maps in Chilean grazing lands, and (iii) design and evaluate the potential of an index insurance policy to address the risk of drought in grazing lands in Coquimbo, Chile. In the first essay, a dynamic and stochastic farm model is designed combining climate, agronomic, socio-economic and ecological aspects to assess drought risk. The model is developed to simulate a representative livestock farm in the Dehesa of Andalusia for the time period 1999-2010. Burn analysis and MonteCarlo simulation methods are used to identify the significance of various risk sources at the farm. Most notably, early summer and early winter are identified as periods of peak risk. Moreover, there is a significant time lag between climate and economic risk and this later last longer than the former. It is shown that intensity, frequency and duration of the drought are three crucial attributes that shape the economic impact of drought. Sensitivity analysis is conducted to assess the sustainability of farm management strategies and demonstrates that lowering the stocking rate reduces farmer exposure to drought risk but entails a reduction in the expected gross margin. The second essay, mapping drought vulnerability in Chilean grazing lands, proposes and builds an index of economic risk (IRESP) that is replicable and simple to interpret. This methodology integrates risk factors and adaptation strategies to deliver information on Value at Risk, maximum expected losses at 5% significance level. Mapping IRESP provides evidence about spatial patterns and significant differences in drought vulnerability across Chilean grazing lands. Spatial autocorrelation measures reveal that systemic risk is considerably larger in the South as compared to Northern or Central Regions. Furthermore, it is shown that vulnerability is not necessarily correlated with climate risk and that adaptation strategies do matter. These results show that IRESP conveys relevant information and that vulnerability maps may be useful tools to assess policy design and decision-making in drought risk management. The third essay develops a stochastic model to estimate the actuarially fair premium and evaluates the potential of an indexed insurance policy to manage drought risk in Coquimbo, a relevant livestock farming region of Chile. Basis risk refers to the imperfect correlation of the index and farmer loses and is identified in the literature as a main limitation of index insurance. A Bayesian approach is proposed to assess the impact on basis risk of alternative guidelines in contract design: i) A cluster zoning that considers space-time aspects, ii) A guarantee period bounded to fit phenological cycles, and iii) the triggering index threshold. Results show that both the proposed zoning and guarantee period considerably reduces basis risk. However, the triggering index threshold has an ambiguous effect on basis risk. On the other hand, cluster zoning contributes to ameliorate systemic risk faced by the insurer. These results highlighted that adequate contract design is important and may result in double dividend. On the one hand, increasing farmers’ utility and, secondly, reducing the cost of insurance. An efficient contract design coupled with advances in remote sensing and an appropriate institutional framework are the basis for an efficient operation of an insurance program. The new technologies offer significant potential for innovation in climate risk managements. Progress in this field is capturing increasing attention and may provide important social gains in developing countries and vulnerable regions where the tools to efficiently manage systemic risks, such as drought, may be a means to foster development.

Exploring Cultural Heritage Resources in a 3D Collaborative Environment

Cultural heritage is a complex and diverse concept, which brings together a wide domain of information. Resources linked to a cultural heritage site may consist of physical artefacts, books, works of art, pictures, historical maps, aerial photographs, archaeological surveys and 3D models. Moreover, all these resources are listed and described by a set of a variety of metadata specifications that allow their online search and consultation on the most basic characteristics of them. Some examples include Norma ISO 19115, Dublin Core, AAT, CDWA, CCO, DACS, MARC, MoReq, MODS, MuseumDat, TGN, SPECTRUM, VRA Core and Z39.50. Gateways are in place to fit in these metadata standards into those used in a SDI (ISO 19115 or INSPIRE), but substantial work still remains to be done for the complete incorporation of cultural heritage information. Therefore, the aim of this paper is to demonstrate how the complexity of cultural heritage resources can be dealt with by a visual exploration of their metadata within a 3D collaborative environment. The 3D collaborative environments are promising tools that represent the new frontier of our capacity of learning, understanding, communicating and transmitting culture.

Comparison of NDVI fields obtained from different remote sensors

Satellite image data have become an important source of information for monitoring vegetation and mapping land cover at several scales. Beside this, the distribution and phenology of vegetation is largely associated with climate, terrain characteristics and human activity. Various vegetation indices have been developed for qualitative and quantitative assessment of vegetation using remote spectral measurements. In particular, sensors with spectral bands in the red (RED) and near-infrared (NIR) lend themselves well to vegetation monitoring and based on them [(NIR - RED) / (NIR + RED)] Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) has been widespread used. Given that the characteristics of spectral bands in RED and NIR vary distinctly from sensor to sensor, NDVI values based on data from different instruments will not be directly comparable. The spatial resolution also varies significantly between sensors, as well as within a given scene in the case of wide-angle and oblique sensors. As a result, NDVI values will vary according to combinations of the heterogeneity and scale of terrestrial surfaces and pixel footprint sizes. Therefore, the question arises as to the impact of differences in spectral and spatial resolutions on vegetation indices like the NDVI and their interpretation as a drought index. During 2012 three locations (at Salamanca, Granada and Córdoba) were selected and a periodic pasture monitoring and botanic composition were achieved. Daily precipitation, temperature and monthly soil water content were measurement as well as fresh and dry pasture weight. At the same time, remote sensing images were capture by DEIMOS-1 and MODIS of the chosen places. DEIMOS-1 is based on the concept Microsat-100 from Surrey. It is conceived for obtaining Earth images with a good enough resolution to study the terrestrial vegetation cover (20x20 m), although with a great range of visual field (600 km) in order to obtain those images with high temporal resolution and at a reduced cost. By contranst, MODIS images present a much lower spatial resolution (500x500 m). The aim of this study is to establish a comparison between two different sensors in their NDVI values at different spatial resolutions. Acknowledgements. This work was partially supported by ENESA under project P10 0220C-823. Funding provided by Spanish Ministerio de Ciencia e Innovación (MICINN) through project no. MTM2009-14621 and i-MATH No. CSD2006-00032 is greatly appreciated.

Transformada Wavelet Compleja de Doble Árbol (DT-CWT) y su aplicación en Teledetección. Nuevos modelos y aplicaciones

La teledetección o percepción remota (remote sensing) es la ciencia que abarca la obtención de información (espectral, espacial, temporal) sobre un objeto, área o fenómeno a través del análisis de datos adquiridos por un dispositivo que no está en contacto con el elemento estudiado. Los datos obtenidos a partir de la teledetección para la observación de la superficie terrestre comúnmente son imágenes, que se caracterizan por contar con un sinnúmero de aplicaciones que están en continua evolución, por lo cual para solventar los constantes requerimientos de nuevas aplicaciones a menudo se proponen nuevos algoritmos que mejoran o facilitan algún proceso en particular. Para el desarrollo de dichos algoritmos, es preciso hacer uso de métodos matemáticos que permitan la manipulación de la información con algún fin específico. Dentro de estos métodos, el análisis multi-resolución se caracteriza por permitir analizar una señal en diferentes escalas, lo que facilita trabajar con datos que puedan tener resoluciones diferentes, tal es el caso de las imágenes obtenidas mediante teledetección. Una de las alternativas para la implementación de análisis multi-resolución es la Transformada Wavelet Compleja de Doble Árbol (DT-CWT). Esta transformada se implementa a partir de dos filtros reales y se caracteriza por presentar invariancia a traslaciones, precio a pagar por su característica de no ser críticamente muestreada. A partir de las características de la DT-CWT se propone su uso en el diseño de algoritmos de procesamiento de imagen, particularmente imágenes de teledetección. Estos nuevos algoritmos de procesamiento digital de imágenes de teledetección corresponden particularmente a fusión y detección de cambios. En este contexto esta tesis presenta tres algoritmos principales aplicados a fusión, evaluación de fusión y detección de cambios en imágenes. Para el caso de fusión de imágenes, se presenta un esquema general que puede ser utilizado con cualquier algoritmo de análisis multi-resolución; este algoritmo parte de la implementación mediante DT-CWT para luego extenderlo a un método alternativo, el filtro bilateral. En cualquiera de los dos casos la metodología implica que la inyección de componentes pueda realizarse mediante diferentes alternativas. En el caso del algoritmo de evaluación de fusión se presenta un nuevo esquema que hace uso de procesos de clasificación, lo que permite evaluar los resultados del proceso de fusión de forma individual para cada tipo de cobertura de uso de suelo que se defina en el proceso de evaluación. Esta metodología permite complementar los procesos de evaluación tradicionales y puede facilitar el análisis del impacto de la fusión sobre determinadas clases de suelo. Finalmente, los algoritmos de detección de cambios propuestos abarcan dos enfoques. El primero está orientado a la obtención de mapas de sequía en datos multi-temporales a partir de índices espectrales. El segundo enfoque propone la utilización de un índice global de calidad espectral como filtro espacial. La utilización de dicho filtro facilita la comparación espectral global entre dos imágenes, esto unido a la utilización de umbrales, conlleva a la obtención de imágenes diferencia que contienen la información de cambio. ABSTRACT Remote sensing is a science relates to information gathering (spectral, spatial, temporal) about an object, area or phenomenon, through the analysis of data acquired by a device that is not in contact with the studied item. In general, data obtained from remote sensing to observe the earth’s surface are images, which are characterized by having a number of applications that are constantly evolving. Therefore, to solve the constant requirements of applications, new algorithms are proposed to improve or facilitate a particular process. With the purpose of developing these algorithms, each application needs mathematical methods, such as the multiresolution analysis which allows to analyze a signal at different scales. One of the options is the Dual Tree Complex Wavelet Transform (DT-CWT) which is implemented from two real filters and is characterized by invariance to translations. Among the advantages of this transform is its successful application in image fusion and change detection areas. In this regard, this thesis presents three algorithms applied to image fusion, assessment for image fusion and change detection in multitemporal images. For image fusion, it is presented a general outline that can be used with any multiresolution analysis technique; this algorithm is proposed at first with DT-CWT and then extends to an alternative method, the bilateral filter. In either case the method involves injection of components by various means. For fusion assessment, the proposal is focused on a scheme that uses classification processes, which allows evaluating merger results individually for each type of land use coverage that is defined in evaluation process. This methodology allows complementing traditional assessment processes and can facilitate impact analysis of the merger on certain kinds of soil. Finally, two approaches of change detection algorithms are included. The first is aimed at obtaining drought maps in multitemporal data from spectral indices. The second one takes a global index of spectral quality as a spatial filter. The use of this filter facilitates global spectral comparison between two images and by means of thresholding, allows imaging containing change information.

Análisis comparativo de la estimación de la erosión hídrica con la metodología USLE y las técnicas RS SIG. Aplicación al entorno del tramo medio de la cuenca del río Jarama (Guadalajara)

La erosión hídrica en España es un problema grave, por las consecuencias que comporta en términos de pérdida del recurso suelo, sobre el que se sustenta la vida. Desde la década de los años ochenta del pasado siglo, la Administración Central ha realizado dos inventarios de erosión del suelo a nivel nacional: Los Mapas de Estados Erosivos (MEEs) y el Inventario Nacional de Erosión del Suelo (INES). En la presente Tesis Doctoral se han abordado las siguientes cuestiones: - Se ha profundizado en el análisis y aplicación de nuevas herramientas en la estimación del factor topográfico y del factor vegetación, que intervienen en los modelos de cálculo de las pérdidas de suelo, para mejorar la precisión en los resultados de la estimación de las tasas de erosión con los mismos. - Se ha establecido un procedimiento que permita realizar un inventario continuo de los Estados Erosivos de España, fijando como premisa el tiempo para su actualización. La Tesis desarrolla un procedimiento que permite comprobar que, la precisión utilizada en la cartografía base para determinar el factor vegetación y el factor topográfico del modelo USLE, influye en los resultados de la estimación de las tasas de erosión. También se ha realizado un estudio multi-temporal, analizado cuatro períodos: desde 1982 a 2014, con el fin de investigar las posibilidades de implementar un inventario continuo de los Estados Erosivos a nivel nacional; utilizando sensores remotos y técnicas de teledetección como herramienta para la actualización de los usos del suelo, factor determinante para estudiar la evolución de las tasas de erosión a lo largo del tiempo. Los resultados obtenidos de las investigaciones mencionadas, se han aplicado al tramo medio de la cuenca del río Jarama en la provincia de Guadalajara y han permitido comprobar que, la precisión de los datos utilizados en la aplicación del modelo USLE, influyen de una forma determinante en la estimación de las tasas de erosión y, además, hacen posible que la metodología, propuesta en esta Tesis, contribuya a establecer un inventario continuo de la evolución de los Estados Erosivos en un espacio multitemporal y a nivel de escenarios que abarcan una gran superficie. Gracias a este inventario se ha podido aportar información de la evolución de la cubierta vegetal y las pérdidas de suelo en la zona de estudio en el período analizado 1984-2015. ABSTRACT Water erosion in Spain is a serious problem and the consequences in terms of loss of soil resources on which life is based. Since the early eighties of last century, the central government has made two inventories of soil erosion nationwide: Maps of Erosive States (MEES) and the National Inventory of Soil Erosion (INES). In this Doctoral Thesis we have addressed the following issues: - It has deepened in the analysis and implementation of new tools in estimating the topographic factor and vegetation factor involved in the calculation models of soil loss, to improve accuracy in the results of the estimation of rates erosion therewith. - It has established a procedure allowing a continuous inventory of Erosion States of Spain, setting premised time for update. The thesis develops a method that allows to check that the precision used in the base map to determine the vegetation factor and topographical factor USLE model, influences the results of estimating erosion rates. There has also develop a multi-temporal study analyzed four periods: from 1982-2014, in order to investigate the possibilities of implementing a continuous inventory of erosion states at national level; using remote sensing techniques as a tool for updating land use, determining to study the evolution of erosion rates along the time factor. The results of the investigations referred to, have been applied to area around the middle reach of the Jarama river basin in the province of Guadalajara and would have shown that the accuracy of the data used in the model application USLE influence of decisive way estimating erosion rates and also make it possible that the methodology proposed in this thesis, help establish a continuous inventory of the evolution of erosive states in a multi-temporal space and level scenarios covering a large area. Thanks to this inventory was it able to provide information on the evolution of the vegetation cover and soil loss in the study area in the analyzed period 1984-2015.

A GEOBIA methodology for fragmented agricultural landscapes

Very high resolution remotely sensed images are an important tool for monitoring fragmented agricultural landscapes, which allows farmers and policy makers to make better decisions regarding management practices. An object-based methodology is proposed for automatic generation of thematic maps of the available classes in the scene, which combines edge-based and superpixel processing for small agricultural parcels. The methodology employs superpixels instead of pixels as minimal processing units, and provides a link between them and meaningful objects (obtained by the edge-based method) in order to facilitate the analysis of parcels. Performance analysis on a scene dominated by agricultural small parcels indicates that the combination of both superpixel and edge-based methods achieves a classification accuracy slightly better than when those methods are performed separately and comparable to the accuracy of traditional object-based analysis, with automatic approach.