Modelización del cálculo de Indicadores Ambientales, a partir de sensores ópticos de alta resolución temporal a bordo de satélite

La presente tesis doctoral tiene por objeto el estudio y análisis de técnicas y modelos de obtención de parámetros biofísicos e indicadores ambientales, de manera automatizada a partir de imágenes procedentes de satélite de alta resolución temporal. En primer lugar se revisan los diferentes programas espaciales de observación del territorio, con especial atención a los que proporcionan dicha resolución. También se han revisado las metodologías y procesos que permiten la obtención de diferentes parámetros cuantitativos y documentos cualitativos, relacionados con diversos aspectos de las cubiertas terrestres, atendiendo a su adaptabilidad a las particularidades de los datos. En segundo lugar se propone un modelo de obtención de parámetros ambientales, que integra información proveniente de sensores espaciales y de otras fuentes auxiliares utilizando, en cierta medida, las metodologías presentadas en apartados anteriores y optimizando algunas de las referidas o proponiendo otras nuevas, de manera que se permita dicha obtención de manera eficiente, a partir de los datos disponibles y de forma sistemática. Tras esta revisión de metodologías y propuesta del modelo, se ha procedido a la realización de experimentos, con la finalidad de comprobar su comportamiento en diferentes casos prácticos, depurar los flujos de datos y procesos, así como establecer las situaciones que pueden afectar a los resultados. De todo ello se deducirá la evaluación del referido modelo. Los sensores considerados en este trabajo han sido MODIS, de alta resolución temporal y Thematic Mapper (TM), de media resolución espacial, por tratarse de instrumentos de referencia en la realización de estudios ambientales. También por la duración de sus correspondientes misiones de registro de datos, lo que permite realizar estudios de evolución temporal de ciertos parámetros biofísicos, durante amplios periodos de tiempo. Así mismo. es de destacar que la continuidad de los correspondientes programas parece estar asegurada. Entre los experimentos realizados, se ha ensayado una metodología para la integración de datos procedentes de ambos sensores. También se ha analizado un método de interpolación temporal que permite obtener imágenes sintéticas con la resolución espacial de TM (30 m) y la temporal de MODIS (1 día), ampliando el rango de aplicación de este último sensor. Asimismo, se han analizado algunos de los factores que afectan a los datos registrados, tal como la geometría de la toma de los mismos y los episodios de precipitación, los cuales alteran los resultados obtenidos. Por otro lado, se ha comprobado la validez del modelo propuesto en el estudio de fenómenos ambientales dinámicos, en concreto la contaminación orgánica de aguas embalsadas. Finalmente, se ha demostrado un buen comportamiento del modelo en todos los casos ensayados, así como su flexibilidad, lo que le permite adaptarse a nuevos orígenes de datos, o nuevas metodologías de cálculo. Abstract This thesis aims to the study and analysis of techniques and models, in order to obtain biophysical parameters and environmental indicators in an automated way, using high temporal resolution satellite data. Firstly we have reviewed the main Earth Observation Programs, paying attention to those that provide high temporal resolution. Also have reviewed the methodologies and process flow diagrams in order to obtain quantitative parameters and qualitative documents, relating to various aspects of land cover, according to their adaptability to the peculiarities of the data. In the next stage, a model which allows obtaining environmental parameters, has been proposed. This structure integrates information from space sensors and ancillary data sources, using the methodologies presented in previous sections that permits the parameters calculation in an efficient and automated way. After this review of methodologies and the proposal of the model, we proceeded to carry out experiments, in order to check the behavior of the structure in real situations. From this, we derive the accuracy of the model. The sensors used in this work have been MODIS, which is a high temporal resolution sensor, and Thematic Mapper (TM), which is a medium spatial resolution instrument. This choice was motivated because they are reference sensors in environmental studies, as well as for the duration of their corresponding missions of data logging, and whose continuity seems assured. Among the experiments, we tested a methodology that allows the integration of data from cited sensors, we discussed a proposal for a temporal interpolation method for obtaining synthetic images with spatial resolution of TM (30 m) and temporal of MODIS (1 day), extending the application range of this one. Furthermore, we have analyzed some of the factors that affect the recorded data, such as the relative position of the satellite with the ground point, and the rainfall events, which alter the obtained results. On the other hand, we have proven the validity of the proposed model in the study of the organic contamination in inland water bodies. Finally, we have demonstrated a good performance of the proposed model in all cases tested, as well as its flexibility and adaptability.

Modelización del desarrollo económico rural, modelos de crecimiento espaciales

Este trabajo pretende investigar como se comporta un modelo de crecimiento del empleo en un territorio geográficamente cerrado considerando tanto su vertiente espacial, y el efecto de rebosamiento espacial de la variable endógena de empleo, como su vertiente temporal considerando el comportamiento de las variables empleo y recursos en diferentes ejercicios económicos sucesivos. Esto último permite incorporar el efecto de relación temporal entre las variables permitiendo derivar otros indicadores temporales que según el modelo faciliten una explicación del comportamiento del empleo en el tiempo. Para evaluar el modelo se ha tomado como piloto una subcomarca de acentuado carácter rural de Palencia, y se ha utilizado la modelación SUR Espacial.

Clasificación de frutos por su calidad interna mediante espectroscopia láser de reflectancia con resolución temporal (TDRS).

La determinación no destructiva de la calidad interna de la fruta ha sido un objetivo prioritario en las investigaciones recientes (Abbott, 1999). La espectroscopia en el infrarrojo (NIR) es aplicable a la cuantificación de compuestos químicos en alimentos; por otro lado se ha comprobado que el uso de láseres es interesante para la estimación no destructiva de la firmeza de los frutos. Sin embargo estas técnicas ópticas más tradicionales tienen el inconveniente de que miden la intensidad de luz transmitida sin poder diferenciar el efecto de la absorción óptica del efecto de la dispersión espacial que sufre la luz en el interior de los tejidos, lo cual dificulta la estimación independiente de aspectos físicos y químicos. La espectroscopia con resolución temporal es una técnica óptica desarrollada para el diagnóstico en medicina, que permite diferenciar ambos fenómenos (absorción y dispersión), proporcionando una caracterización óptica completa de los tejidos. El objetivo del presente trabajo ha sido la aplicación de esta técnica a frutas y hortalizas, y el desarrollo de modelos matemáticos de estimación no destructiva de su calidad interna para su uso en procesos de clasificación.

Estimación y evolución temporal de variables forestales con tecnología LiDAR en el Valle de la Fuenfría (Cercedilla, Madrid)

Este estudio profundiza en la estimación de variables forestales a partir de información LiDAR en el Valle de la Fuenfría (Cercedilla, Madrid). Para ello se dispone de dos vuelos realizados con sensor LiDAR en los años 2002 y 2011 y en el invierno de 2013 se ha realizado un inventario de 60 parcelas de campo. En primer lugar se han estimado seis variables dasométricas (volumen, área basimétrica, biomasa total, altura dominante, densidad y diámetro medio cuadrático) para 2013, tanto a nivel de píxel como a nivel de rodal y monte. Se construyeron modelos de regresión lineal múltiple que permitieron estimar con precisión dichas variables. En segundo lugar, se probaron diferentes métodos para la estimación de la distribución diamétrica. Por un lado, el método de predicción de percentiles y, por otro lado, el método de predicción de parámetros. Este segundo método se probó para una función Weibull simple, una función Weibull doble y una combinación de ambas según la distribución que mejor se ajustaba a cada parcela. Sin embargo, ninguno de los métodos ha resultado suficientemente válido para predecir la distribución diamétrica. Por último se estimaron el crecimiento en volumen y área basimétrica a partir de la comparación de los vuelos del 2002 y 2011. A pesar de que la tecnología LiDAR era diferente y solo se disponía de un inventario completo, realizado en 2013, los modelos construidos presentan buenas bondades de ajuste. Asimismo, el crecimiento a nivel de pixel se ha mostrado estar relacionado de forma estadísticamente significativa con la pendiente, orientación y altitud media del píxel. ABSTRACT This project goes in depth on the estimation of forest attributes by means of LiDAR data in Fuenfria’s Valley (Cercedilla, Madrid). The available information was two LiDAR flights (2002 and 2011) and a forest inventory consisting of 60 plots (2013). First, six different dasometric attributes (volume, basal area, total aboveground biomass, top height, density and quadratic mean diameter) were estimated in 2013 both at a pixel, stand and forest level. The models were developed using multiple linear regression and were good enough to predict these attributes with great accuracy. Second, the measured diameter distribution at each plot was fitted to a simple and a double Weibull distribution and different methods for its estimation were tested. Neither parameter prediction method nor percentile prediction method were able to account for the diameter distribution. Finally, volume and top height growths were estimated comparing 2011 LiDAR flight with 2002 LiDAR flight. Even though the LiDAR technology was not the same and there was just one forest inventory with sample plots, the models properly explain the growth. Besides, growth at each pixel is significantly related to its average slope, orientation and altitude.

Evaluación de modelos multivariados para la simulación estocástica de lluvia a escala diaria

La obtención de leyes de frecuencia de caudales de avenida mediante simulación hidrometeorológica requiere de la extensión de las series observadas de lluvia mediante series sintéticas que conserven sus propiedades extremales. Para cuencas pequeñas, cuya lluvia media pueda asimilarse a la registrada en un único pluviómetro, existen varios modelos puntuales que pueden realizar eficazmente la tarea. En el caso de cuencas medianas y grandes, deben utilizarse modelos multivariados, cuya calibración es más difícil que en el caso univariado. El objetivo de este trabajo es la simulación estocástica de lluvias a escala a través del empleo de un modelo multivariado en el tiempo y en el espacio. Para ello se ha empleado el programa Rainsim, que se basa en el modelo espacio-temporal de Neyman-Scott de pulsos rectangulares (e.g. Coperwait et al., 2002; Fowler et al., 2005; Burton et al., 2008). A partir de series históricas de lluvias se obtienen sus estadísticos, con los que se ajustan los parámetros del modelo para poder generar largas series de precipitaciones. En el trabajo se ha empleado el modelo Rainsim en un caso univariado y otro multivariado con tres pluviómetros, y se han comparado los resultados. El caso univariado es el embalse de Alloz, situado en la cuenca del Ebro, que cuenta con un pluviómetro con una serie histórica de 43 años con paso diario. En el caso multivariado se ha trabajado con el embalse de Fuensanta, situado en la cuenca del Segura, donde se escogieron tres pluviómetros (Gontar, Arguellite y Siles), que cuentan con series de datos de precipitación diaria de 31, 42 y 22 años. En los trabajos realizados se han obtenido resultados muy satisfactorios para el modelo puntual de un pluviómetro estudiado en la cuenca de Alloz, el comparar el comportamiento extremal de los datos observados y los datos simulados. En cuanto al modelo multivariado, los datos simulados presentan un comportamiento no tan acertado como en el caso univariado.

Modelos para el análisis dinámico y la predicción a corto plazo de los precios de la electricidad en mercados liberalizados

En esta tesis se va a describir y aplicar de forma novedosa la técnica del alisado exponencial multivariante a la predicción a corto plazo, a un día vista, de los precios horarios de la electricidad, un problema que se está estudiando intensivamente en la literatura estadística y económica reciente. Se van a demostrar ciertas propiedades interesantes del alisado exponencial multivariante que permiten reducir el número de parámetros para caracterizar la serie temporal y que al mismo tiempo permiten realizar un análisis dinámico factorial de la serie de precios horarios de la electricidad. En particular, este proceso multivariante de elevada dimensión se estimará descomponiéndolo en un número reducido de procesos univariantes independientes de alisado exponencial caracterizado cada uno por un solo parámetro de suavizado que variará entre cero (proceso de ruido blanco) y uno (paseo aleatorio). Para ello, se utilizará la formulación en el espacio de los estados para la estimación del modelo, ya que ello permite conectar esa secuencia de modelos univariantes más eficientes con el modelo multivariante. De manera novedosa, las relaciones entre los dos modelos se obtienen a partir de un simple tratamiento algebraico sin requerir la aplicación del filtro de Kalman. De este modo, se podrán analizar y poner al descubierto las razones últimas de la dinámica de precios de la electricidad. Por otra parte, la vertiente práctica de esta metodología se pondrá de manifiesto con su aplicación práctica a ciertos mercados eléctricos spot, tales como Omel, Powernext y Nord Pool. En los citados mercados se caracterizará la evolución de los precios horarios y se establecerán sus predicciones comparándolas con las de otras técnicas de predicción. ABSTRACT This thesis describes and applies the multivariate exponential smoothing technique to the day-ahead forecast of the hourly prices of electricity in a whole new way. This problem is being studied intensively in recent statistics and economics literature. It will start by demonstrating some interesting properties of the multivariate exponential smoothing that reduce drastically the number of parameters to characterize the time series and that at the same time allow a dynamic factor analysis of the hourly prices of electricity series. In particular this very complex multivariate process of dimension 24 will be estimated by decomposing a very reduced number of univariate independent of exponentially smoothing processes each characterized by a single smoothing parameter that varies between zero (white noise process) and one (random walk). To this end, the formulation is used in the state space model for the estimation, since this connects the sequence of efficient univariate models to the multivariate model. Through a novel way, relations between the two models are obtained from a simple algebraic treatment without applying the Kalman filter. Thus, we will analyze and expose the ultimate reasons for the dynamics of the electricity price. Moreover, the practical aspect of this methodology will be shown by applying this new technique to certain electricity spot markets such as Omel, Powernext and Nord Pool. In those markets the behavior of prices will be characterized, their predictions will be formulated and the results will be compared with those of other forecasting techniques.

La dimensión sonora del paisaje. Herramientas, modelos y prototipos aplicados para la interpretación del paisaje sonoro pretérito

Arrancando en la definición de paisaje como construcción de un espacio virtual desde una posición referencial, la investigación constituye una inmersión en la escucha como mirada específica para llevarlo a cabo. La investigación se centra en la búsqueda de una serie de estrategias: herramientas de interpretación y modelos de análisis de la realidad que pueden interactuar con el medio espacial. Mediante el estudio del territorio a través de parámetros vinculados a las energías dinámicas existentes en el mismo, el fin es aportar una nueva lectura, una transcripción del evento sonoro generador del ser de un lugar, empleando para ello el lenguaje arquitectónico y la notación espacio-temporal. El acantilado del Pointe du Hoc se toma como primer caso de estudio para el planteamiento del análisis de la dimensión sonora del territorio, a través de la fabricación de ntermediarios espaciales, que constituirán un modelo aplicable a otros lugares cuya identidad y energía sonora formen un rasgo significativo de su existencia. PALABRAS CLAVE Paisaje sonoro, sonido, Intermediario espacial, territorio Starting in the definition of landscape as building a virtual space from a reference position, this research is an immersion in listening as specific look to carry it out. The research is focused on a number of strategies: prototypes, tools for interpretation and analysis models of reality that can interact with the space environment. By studying the area using parameters linked to existing dynamic energies in territory, the aim is to provide a new reading, a transcript of the sound event generator, employing the architectural language and space-temporary notation. The Pointe du Hoc cliff is taken as a first case study for the approach to the analysis of the sound dimension of the territory, through space intermediaries, which will be a model for other places whose sound energy is the significance of their existence. KEYWORDS Soundscape, Sound, space intermediate, territory

Assessing the effects of complexity in cross-temporal transferability of species distribution modelling predictions using palaeobotanical data

Valoración de la transferencia temporal de los modelos de distribución de especies para su aplicación en nuestros días utilizando datos paleobotánicos Corilus avellana y Alnus glutinosa.

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.