81 II Simposio Latino sobre Geología, Medio ambiente y Sociedad Cubells (Lleida), marzo del 2000, 7, pp, 81-90 SEGUIMIENTO REMOTO DE ACTIVIDADES MINERAS DE SUPERFICIE N. Pineda 1 y J. Jorge 2 1 Instituto de Ciencias de la Tierra "Jaume Almera", CSIC 2 Departamento de Física Aplicada, E.U.P. Manresa, UPC RESUMEN En el presente estudio se muestra un método para hacer un seguimiento a distancia del estado de las actividades mineras a cielo abierto, a partir de imágenes de sensores satelitales y cartografía digital de referencia. Se aplica a cuatro casos reales de la comarca de Bages (Cataluña Central), y se pretende ver si se cumple con los plazos de explotación y regeneración asignados, así como observar si los límites de la extracción se corresponden con los que tiene la Administración. La metodología seguida se basa en establecer unos parámetros de cambio a partir de dos imágenes satelitales de distintas épocas, con las que poder establecer si las diferencias entre ambas imágenes son debidas a la propia explotación minera o a causa de otros cambios en la superficie correspondiente, como cambios de uso del suelo, etc. Los resultados del estudio muestran que se puede usar esta metodología como parte del control de las explotaciones. El seguimiento de esas actividades mediante imágenes de satélite nos permite, a grandes rasgos, saber el estado en que se encuentran. Esos resultados, obtenidos sin tener que visitar la explotación, pueden ser útiles para la toma de decisiones sobre el grado de control de la misma, pues nos dan una idea de si se está cumpliendo con el plan de explotación y nos permiten establecer los lindes de la extracción.
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II Simposio Latino sobre Geología, Medio ambiente y Sociedad
Cubells (Lleida), marzo del 2000, 7, pp, 81-90
SEGUIMIENTO REMOTO DE
ACTIVIDADES MINERAS DE
SUPERFICIE
N. Pineda1 y J. Jorge2
1 Instituto de Ciencias de la Tierra "Jaume Almera", CSIC 2 Departamento de Física Aplicada, E.U.P. Manresa, UPC
RESUMEN En el presente estudio se muestra un método para hacer un seguimiento a distancia del estado de las actividades mineras a cielo abierto, a partir de imágenes de sensores satelitales y cartografía digital de referencia. Se aplica a cuatro casos reales de la comarca de Bages (Cataluña Central), y se pretende ver si se cumple con los plazos de explotación y regeneración asignados, así como observar si los límites de la extracción se corresponden con los que tiene la Administración. La metodología seguida se basa en establecer unos parámetros de cambio a partir de dos imágenes satelitales de distintas épocas, con las que poder establecer si las diferencias entre ambas imágenes son debidas a la propia explotación minera o a causa de otros cambios en la superficie correspondiente, como cambios de uso del suelo, etc. Los resultados del estudio muestran que se puede usar esta metodología como parte del control de las explotaciones. El seguimiento de esas actividades mediante imágenes de satélite nos permite, a grandes rasgos, saber el estado en que se encuentran. Esos resultados, obtenidos sin tener que visitar la explotación, pueden ser útiles para la toma de decisiones sobre el grado de control de la misma, pues nos dan una idea de si se está cumpliendo con el plan de explotación y nos permiten establecer los lindes de la extracción.
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1. INFORMACIÓN A PROCESAR Se dispone de dos imágenes de satélite que corresponden al sensor Thematic Mapper del satélite Landsat 5 (imagen de 1991) y al sensor LISS-III del satélite IRS (imagen de 1996), de la cual se presenta una composición RGB en la figura 1. La zona de estudio abarca gran parte de la comarca del Bages (Manresa, Sallent, Avinyó, Navàs) y las coordenadas del centro de la misma son N 41º 50' y E 1º 55' aproximadamente. En la Tabla 1 se comparan las características de las dos imágenes, que, aún siendo de sensores diferentes, tienen características similares, permitiendo usarlas en un estudio comparativo. El software usado en este estudio es ENVI (v.3.1) de Research Systems Software, Inc.
Tabla 1.- Características de las imágenes.
Sensor Thematic Mapper (Landsat 5) LISS-III (IRS) Fecha 22/05/1999 19/07/1996 Resolución espacial (píxel) 30 metros 25 metros (bandas 2,3,y 4) 70 m. (banda 5) Rangos espectrales Banda 2 (verde) 520-600 nanómetros 520-590 nm Banda 3 (rojo) 630-690 nm 620-680 nm Banda 4 (NIR) 760-900 nm 770-860 nm Banda 5 (MIR) 1550-1750 nm 1550-1750 nm
Los datos sobre las actividades extractivas se han obtenido a partir de la base de datos que posee el Departament de Medi Ambient de la Generalitat de Catalunya[1]. Esta base de datos contiene información vectorial (límites de explotación) e información sobre el propietario, superficie, materiales extraídos, plan de explotación, etc. 2. METODOLOGÍA El estudio se basa en la comparación de las dos imágenes, por lo que se han de realizar unos tratamientos previos para que la superposición de las mismas sea lo más exacta posible. Una vez las imágenes corregidas, hay varios métodos para compararlas[2] como son restas o divisiones directas de bandas, comparaciones de imágenes clasificadas, etc. Se eligió el método de los vectores de cambio porque, aparte de dar información sobre el tipo de cambio (dirección del vector), también aporta la intensidad del mismo (módulo del vector). 2.1. Correcciones
Esos tratamientos incluyen una corrección geométrica de las imágenes, una corrección radiométrica a partir de puntos invariables y un remuestreo para tener píxeles del mismo tamaño. 2.1.1. Remuestreo El primer paso es el de equiparar el tamaño del píxel de las imágenes. Se ha remuestreado la imagen LISS a 30 metros de lado de píxel, usando el método de vecino más cercano. Este procedimiento implica una pérdida de calidad de la imagen, pero es necesario para poder comparar píxel con píxel. 2.1.2. Corrección geométrica Las imágenes que se reciben del sensor están orientadas según las órbitas de los satélites y hay que hacer una corrección de las mismas para que se correspondan a la proyección de la cartografía que vayamos a usar, en nuestro caso la del Institut Cartogràfic de Catalunya. Proyección: Universal Transversa Mercator (UTM), hoja 31 Norte, sobre el elipsoide Internacional y datum Medio Europeo 1950. Se han buscado 25 puntos de control y, usando un polinomio de primer grado con el método de vecino más cercano, se corrigió la imagen TM. El error (RMS) fue de 0.65 píxeles. La imagen LISS remuestreada se corrigió respecto de la TM, para obtener la mayor superposición posible entre ambas imágenes. 2.1.3. Corrección radiométrica Esta corrección tiene como finalidad minimizar las diferencias entre los valores de píxel que no sean debidas a cambios en superficie, como son diferencias de iluminación o de calibración del sensor. Se pasaron los valores de gris a valores de reflectancia, teniendo en cuenta los ángulos de elevación solar y del satélite a la hora de toma de la imagen para ambos sensores. Finalmente, para minimizar los cambios entre imágenes que no corresponden a cambios en superficie y que son debidos a las diferencias en el tamaño del píxel original y a las diferencias entre los dos sensores usados, se calculó una función de regresión lineal robusta entre puntos invariables de las dos imágenes. IMA2=IMA1 * GAIN + OFFSET La función se aplicó a la imagen LISS. Los valores de la función para cada banda se presentan en la Tabla 2. Un "Gain" diferente a cero indica un estiramiento del histograma y un "Offset" diferente a cero se relaciona con diferencias atmosféricas. Se puede observar en la Tabla 2 que los valores para la
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banda 5 son de otro orden que el resto, esto se debe a la diferente resolución espacial que presenta la banda 5 en el sensor LISS (70 metros respecto a los 25 de las otras bandas).
Tabla 2. Regresión lineal robusta entre bandas. Banda GAIN OFFSET Ajuste (r2) Banda 2 0.8285 0.0010 0.8862 Banda 3 0.8330 0.0101 0.8411 Banda 4 1.0850 0.0170 0.8402 Banda 5 0.5003 -0.0334 0.8713
2.3.Vectores de cambio El análisis de los vectores de cambio[3][4] permite cuantificar los cambios ocurridos entre dos fechas (dos imágenes, B*1 y B*2) en un espacio definido por dos bandas (B1* y B2*). El vector de cambio se caracteriza por su módulo y por su dirección. El módulo informa de la intensidad de cambio, mientras que la dirección da información sobre el tipo de cambio. MÓDULO = SQRT ([B11 - B12]2 + [B21 - B22]2) DIRECCIÓN = ARCTG ([B11 - B12] / [B21 - B22]) Con tal de sintetizar la información de las 4 bandas por imagen en las 2 usadas por las funciones de cambio, se calcularon el NDVI (Indice de Vegetación Normalizado) y el BRIGHTNESS o brillo medio de la imagen[5]. El NDVI corresponde a la diferencia normalizada entre la banda del infrarrojo cercano y la banda del rojo (Bandas 4 y 3 respectivamente) y el BRIGHTNESS corresponde a una media simple entre todas las bandas. 3. RESULTADOS 3.1. Determinación de cambios en las explotaciones mineras Para el caso que nos interesa -la determinación de cambios en explotaciones mineras a cielo abierto- se han clasificado las imágenes de dirección y módulo en una imagen resultado. Esta clasificación es objetiva y es el resultado del estudio de las imágenes de módulo y dirección en las zonas afectadas, teniendo como finalidad la simplificación de dichas imágenes en una de sola. En la figura 2 se representan las 3 clases de cambio considerados. Las dos clases de cambio abarcan las variaciones más significativas del conjunto de las imágenes. No se tienen en cuenta en dichas clases los cambios con módulo pequeño, pues estos son mínimos y atribuibles a ruido (errores en las correcciones geométrica y radiométrica de las imágenes).
Clase “CAMBIO EXPLOTACIÓN”: zonas que pasan de tener cierta cubierta vegetal a no tenerla, presentando en la segunda fecha reflectancias superiores que corresponden a zonas donde desaparece el horizonte suelo y se ven horizontes inferiores (rocas, gravas, etc.). Clase "CAMBIO VEGETACIÓN": zonas donde la vegetación pierde "verdor" o desaparece, dejando a la vista el suelo desnudo. Corresponde, básicamente, a zonas de cultivo que, debido a la diferencia entre fechas (mayo y julio), presentan un estado fenológico diferente o un cambio de cobertura debido a la finalización del cultivo. Clase: "SIN CAMBIOS": son zonas sin cambios o con cambios que no nos interesan en este estudio y que se clasifican en una sola clase para permitir una mejor discriminación de los otros cambios. 3.2. Estudio de casos A continuación se presentan cuatro casos de las explotaciones estudiadas. La información del DMA corresponde al año 1999 mientras que la segunda imagen es de 1996, con lo que el estado de la explotación no será el actual, pero nos dará una idea del estado en que se podría encontrar el año 1996. Las figuras 3, 4, 5 y 6 muestran para cada caso una composición RGB de las imágenes, usándose las bandas 5, 4 y 2, respectivamente. La interpretación de los colores con esta combinación es la siguiente:
• Colores oscuros: vegetación forestal (arbórea y arbustiva). • Verdes claros: cultivos activos. • Rosados: suelos sin vegetación. • Blancos: roca, gravas, arena, etc.
La imagen de cambios presenta una zona central con cambios de explotación (rojo) y cambios en los cultivos de los alrededores (clase "vegetación" en amarillo). En la imagen de 1991 es el mes de mayo y los cultivos se encuentran plenamente activos (verde intenso), mientras que en la imagen de 1996 ya es verano y los cultivos se han retirado o están agostados (colores marrones claros). El efecto de "salt & pepper" y efectos "lineales" son debidos a problemas de superposición entre las imágenes. Seguramente, trabajando con imágenes del mismo sensor estos se verían reducidos, aunque no desaparecerían porque es imposible tener una superposición perfecta debido a las características intrínsecas de las imágenes satelitales. 3.2.1. Caso 1 (figura 3)
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Información del DMA: explotación 1673 (9.3 ha); y ampliaciones de la misma: 1681 (10.6 ha) y 1674 (15.8 ha). Municipio: Sallent. Recurso: calcáreas. Permiso: autorización de explotación. Situación actual: actividad en activo con restauración integrada. La imagen de cambios refleja claramente el cambio de uso del suelo en la explotación central (1681), donde se ha pasado de una cubierta vegetal a tener la roca calcárea a la vista. La segunda ampliación (1674) no estaba activa el año 1996. Por otro lado, se puede observar un posible inicio de restauración en la explotación original (1673). 3.2.2. Caso 2 (figura 4) Información del DMA: explotación 1553 (9.6 ha); y ampliaciones de la misma: 1554 (2.1 ha) y 1557 (3.3 ha). Municipio: Balsareny. Recurso: gravas. Permiso: autorización de explotación. Situación actual: actividad finalizada. Se puede ver como la Explotación 1557 se encontraba en plena actividad en 1996, incluso sobrepasando los límites fijados por la Administración, mientras que en las otras dos se intuye un inicio de actividad. Hay un gran contraste entre el estado de los cultivos en las dos fechas, y sólo la zona colindante al río es similar (se ve la forma de "S" en la imagen de cambios). 3.2.3. Caso 3 (figura 5) Información del DMA: explotaciones 1596 (4.8 ha), 1595 (5.2 ha), 1600 (5.9 ha) y 1609 (2.6 ha). Municipio: Avinyó. Recurso: gravas. Permiso: autorización de explotación. Situación actual: actividad restaurada en periodo de garantía (1596), actividad pendiente de regulación (1595) y actividades no iniciadas (1600 y 1609). La imagen de cambios señala actividad en la explotación 1596, que se extiende fuera de sus límites. No señala actividad en la 1595 aunque parece que haya un inicio. Las dos inferiores no presentan actividad y, según los datos administrativos, no están activas. Por otro lado, se puede observar una franja vertical a la derecha de la imagen central que también recoge la imagen de cambios, y que corresponde al "Eix Transversal", nueva autovía que une Manresa y Vic. 3.2.4. Caso 4 (figura 6) Información del DMA: explotaciones 1567 (40.3 ha), 1572 (6.7 ha), 1570 (0.6 ha), 1569 (5.6 ha) y 1574 (12.8 ha). Municipio: Balsareny. Recurso: gravas. Permiso: autorización de explotación. Situación actual: actividad en activo con restauración integrada (1567, 1569 y 1574), actividad en activo con restauración no iniciada (1570) y actividad no iniciada (1572).
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Se observa en la imagen que las explotaciones 1572 y 1570 están inactivas. Focos de actividad en la 1567 y que 1574 y 1569 son plenamente activas. Las 1567, 1569 y 1574 figuran como actividades con restauración integrada, y en 1996 sólo parece que se haya empezado a restaurar una pequeña zona de la 1567 (zona central/derecha), donde se observan unos tonos marrón beige. 4. CONCLUSIONES • Los cambios que se dan en reflectancias al iniciarse una explotación son
considerables y fácilmente detectables a través de la comparación de imágenes de sensores satelitarios entre dos fechas y de resoluciones espaciales similares (30 metros). Por tanto, es factible un seguimiento remoto de las explotaciones para determinar a grandes rasgos si cumplen con los límites y los plazos de explotación administrativos.
• La información vectorial aportada por la Administración es básica para detectar
los cambios en las actividades mineras, pues sin su localización precisa sería más difícil saber si el cambio corresponde a una actividad minera.
• Los cambios fenológicos de la vegetación, sobretodo en los cultivos, no son
tan agudos pero dificultan la interpretación de cambios en explotaciones mineras y es recomendable trabajar con imágenes de la misma época del año, aunque este hecho ya era predecible de entrada.
• El método de los vectores de cambio es válido para el estudio de la evolución
de explotaciones a cielo abierto. Los efectos de "salt & pepper" dificultan la interpretación, pero se pueden disminuir trabajando con imágenes del mismo sensor y mejorando las correcciones.
5. BIBLIOGRAFÍA [1] Instituto Cartográfico de Catalunya (1999), "Capas de cartografía ambiental y de cartografía de referencia, en formato DXF y DBF". Departament de Medi Ambient, Generalitat de Catalunya. http://www.gencat.es/mediamb/sig/sig.htm [2] Singh, A. (1989), "Digital change detection techniques using remotely sensed data". Int. J. of Rem. Sen., 10, 989-1003. [3] Johnson, R.D., & Kasischke, E.S. (1998), "Change vector analysis: a technique for the multispectral monitoring of land cover and condition". Int.J. of Rem.Sen., 19, 411-426.
[4] Schmidt, H., & Glaesser, C. (1998), "Multitemporal analysis of satellite data and their use in the monitoring of the environmental impacts of open cast lignite mining areas in Eastern Germany". Int. J. of Rem. Sen., 19, 2245-2260. [5] Lillesand, T.M., & Kiefer, R.W. (1987), “Remote Sensing Image Interpretation”. Second Edition, Ed. John Wiley & Sons.
Figura 1.- Composición RGB (Bandas 5, 4 y 2) de la imagen LISS-III de 1996.
