Environmental variables modeling based on remote sensing data using time series analysis: forestry and agricultural applications

En la actualidad, el seguimiento de la dinámica de los procesos medio ambientales está considerado como un punto de gran interés en el campo medioambiental. La cobertura espacio temporal de los datos de teledetección proporciona información continua con una alta frecuencia temporal, permitiendo el análisis de la evolución de los ecosistemas desde diferentes escalas espacio-temporales. Aunque el valor de la teledetección ha sido ampliamente probado, en la actualidad solo existe un número reducido de metodologías que permiten su análisis de una forma cuantitativa. En la presente tesis se propone un esquema de trabajo para explotar las series temporales de datos de teledetección, basado en la combinación del análisis estadístico de series de tiempo y la fenometría. El objetivo principal es demostrar el uso de las series temporales de datos de teledetección para analizar la dinámica de variables medio ambientales de una forma cuantitativa. Los objetivos específicos son: (1) evaluar dichas variables medio ambientales y (2) desarrollar modelos empíricos para predecir su comportamiento futuro. Estos objetivos se materializan en cuatro aplicaciones cuyos objetivos específicos son: (1) evaluar y cartografiar estados fenológicos del cultivo del algodón mediante análisis espectral y fenometría, (2) evaluar y modelizar la estacionalidad de incendios forestales en dos regiones bioclimáticas mediante modelos dinámicos, (3) predecir el riesgo de incendios forestales a nivel pixel utilizando modelos dinámicos y (4) evaluar el funcionamiento de la vegetación en base a la autocorrelación temporal y la fenometría. Los resultados de esta tesis muestran la utilidad del ajuste de funciones para modelizar los índices espectrales AS1 y AS2. Los parámetros fenológicos derivados del ajuste de funciones permiten la identificación de distintos estados fenológicos del cultivo del algodón. El análisis espectral ha demostrado, de una forma cuantitativa, la presencia de un ciclo en el índice AS2 y de dos ciclos en el AS1 así como el comportamiento unimodal y bimodal de la estacionalidad de incendios en las regiones mediterránea y templada respectivamente. Modelos autorregresivos han sido utilizados para caracterizar la dinámica de la estacionalidad de incendios y para predecir de una forma muy precisa el riesgo de incendios forestales a nivel pixel. Ha sido demostrada la utilidad de la autocorrelación temporal para definir y caracterizar el funcionamiento de la vegetación a nivel pixel. Finalmente el concepto “Optical Functional Type” ha sido definido, donde se propone que los pixeles deberían ser considerados como unidades temporales y analizados en función de su dinámica temporal. ix SUMMARY A good understanding of land surface processes is considered as a key subject in environmental sciences. The spatial-temporal coverage of remote sensing data provides continuous observations with a high temporal frequency allowing the assessment of ecosystem evolution at different temporal and spatial scales. Although the value of remote sensing time series has been firmly proved, only few time series methods have been developed for analyzing this data in a quantitative and continuous manner. In the present dissertation a working framework to exploit Remote Sensing time series is proposed based on the combination of Time Series Analysis and phenometric approach. The main goal is to demonstrate the use of remote sensing time series to analyze quantitatively environmental variable dynamics. The specific objectives are (1) to assess environmental variables based on remote sensing time series and (2) to develop empirical models to forecast environmental variables. These objectives have been achieved in four applications which specific objectives are (1) assessing and mapping cotton crop phenological stages using spectral and phenometric analyses, (2) assessing and modeling fire seasonality in two different ecoregions by dynamic models, (3) forecasting forest fire risk on a pixel basis by dynamic models, and (4) assessing vegetation functioning based on temporal autocorrelation and phenometric analysis. The results of this dissertation show the usefulness of function fitting procedures to model AS1 and AS2. Phenometrics derived from function fitting procedure makes it possible to identify cotton crop phenological stages. Spectral analysis has demonstrated quantitatively the presence of one cycle in AS2 and two in AS1 and the unimodal and bimodal behaviour of fire seasonality in the Mediterranean and temperate ecoregions respectively. Autoregressive models has been used to characterize the dynamics of fire seasonality in two ecoregions and to forecasts accurately fire risk on a pixel basis. The usefulness of temporal autocorrelation to define and characterized land surface functioning has been demonstrated. And finally the “Optical Functional Types” concept has been proposed, in this approach pixels could be as temporal unities based on its temporal dynamics or functioning.

Sostenibilidad de los biocombustibles para autoconsumo en un entorno rural

Se busca relacionar dos sectores que sin tener a priori nada en común, pueden verse beneficiados por una solución que mejore la situación de ambos. Hablamos del sector biocombustibles y del sector algodonero español. El sector de los biocombustibles ha visto un desarrollo espectacular en los últimos diez años, empujado por fuertes políticas gubernamentales. En general estas políticas buscan satisfacer una necesidad, la energía, mediante fórmulas que supongan un menor impacto medioambiental que las actuales. También una disminución de la dependencia exterior para el suministro de energía y otras ventajas. El sector algodonero español es un sector tradicional, que subsiste gracias a las ayudas europeas, y que se ha visto fuertemente afectado por las reformas de esas subvenciones. Se caracteriza por estar en vías de amortizar fuertes inversiones en regadío, por ser viable en suelos con alta salinidad, y por el clima propio del sur de España. Al ser un cultivo no alimentario, se evita la controversia que suscita la producción de cultivos energéticos en suelos factibles de ser usados para producción alimentaria. Se propone la sustitución del algodón por el ricino, cultivo muy experimentado en otros países (Colombia, Ecuador, Argentina, Brasil, Chile e India) y que tendría buena acogida en la tierra andaluza. Se analizan las características del nuevo cultivo y su adecuación para esta región. Se estudian los procesos necesarios para la extracción del aceite y su procesamiento a biodiesel, con el dimensionamiento de los equipos necesarios. Por último, se realiza un estudio económico de la propuesta, haciendo hincapié en los beneficios económicos que se obtienen por la vía del ahorro, tanto en ayudas de la PAC (Política Agraria Común) de la UE (Unión Europea), cómo por la disponer de un producto, biodiesel, que de otro modo deberíamos satisfacer mediante la compra de combustible tradicional. Abstract This Project looks forward the relationship between two different sectors with different troubles in Spain, which could be benefited by a common solution. We are talking about biofuels and the cotton industry. The biofuels sector has been developed along the last ten years because of strong governmental policies. These policies try to find how to supply energy, with the less environmental impact, as well as to decrease the dependency of third countries, and other benefits. The Spanish cotton industry is traditional, it has survived because of the European grants, and it is passing through an uncertain scenario because of the alteration of these grants. It is characterized by the non amortized investment in irrigation, by the high salinity ratio in the ground (which means that is unable for a number of crops), and by weather of this Spanish region. As well as cotton is not a food crop, the controversial of to plant energetic crops in areas able to produce food is avoided. It is aimed to replace cotton with castor, an oilseed which has been experienced in other countries (Colombia, Ecuador, Argentina, Brazil, Chile e India) and which could be accepted in that ground. It is analyzed the main features of the new drop and its ability to be planted in this area. The processes to obtain the oil and then the biofuel are studied. The equipment is sized. At least, it is developed an economic survey about the proposal, deepening in the benefits which are obtained because of savings, in European grants and in diesel.