Estudi de l'alçada de la vegetació basat en el satèl·lit GEDI

Abstract The human action on the planet Earth ecosystems, has transformed, in a radical way, the structure and conditions of the vegetation. The massive deforestation, because of wildfires, urbanization or croplands, has produced the lost of 178 millions of hectares of forest extension in the last three decades. The forests are the lungs of our planet, they absorb a lot of part of the carbon dioxide of the atmosphere, so it is very important to preserve them. For this reason, it is important to find accurate systems to measure the state of the forests and see its variation and evolution. The Earth observation satellites can help on this control taking global measures from the planet in a periodic way. In this context, in 2018, the NASA (National Aeronautics and Space Administration), launched a new mission, the Global Ecosystem Dynamics Investigation (GEDI). The GEDI satellite produces 3D high resolution observations of the Earth, GEDI's precise measurements of the height and vertical structure of vegetation in forests, as well as the elevation of the land surface greatly advance our ability to characterize and detect important changes in the structure of forest areas. vegetation of the planet. GEDI mission data has been little used and analysed, yet. In addition, having data only for the years 2019-2020, makes more difficult to analyse the evolution of forests only with the data of this mission. Comparative studies are still being carried out with measurements obtained with other missions, such as ICESat 1 and 2. The aim of those missions is to measure ice masses, clouds, aerosols, topography and characterize vegetation. The radiometry group of the CommSensLab-TSC began working with the conception and design of the MIRAS (Microwave Imaging Radiometer with Aperture Synthesis) instrument for the European Space Agency's (ESA) satellite SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) in the 1990s. Since then, in addition to working on the design and improvement of the performance of the instrument, they have also worked with the development of algorithms to obtain the salinity in the ocean and the humidity of the sun from the measurements in band L. Currently, one of its focuses is the development of new applications that require the synergy and combination of data from different satellites. On land, a fire algorithm has been developed to predict potential burned area on the Iberian Peninsula, and is currently working on studies of biomass, carbon stocks, water status of vegetation, among others. In these studies, the VOD (Vegetation Optical Depth) parameter of ESA's SMOS and SMAP (Soil Pisture Active-passive) missions are being used in combination with other data such as humidity and temperature. Accurate knowledge of the height of vegetation and its evolution in forests is a very useful fact in these studies. The main objective of this thesis is to carry out a study on the structure and manipulation of the data obtained by the GEDI satellite, its composition and the way in which they are stored. The second objective is a study of the situation of forestry and agricultural areas in Catalonia based on the variables obtained in the mission in the 2019-2020 cycle. Therefore, this report has been divided into two main parts; In the first part it presents the objectives and applications of the GEDI mission, the way in which the data are obtained through the laser and the structure in which these data are stored. The second part of the thesis presents the study of vegetation height data in Catalonia, observing the way in which the data are treated as well as comparative analyses of specific regions, with specific plant areas. The details and the accuracy with which the data are collected and the use that can be given considering the recurrent collection of the same along multiple orbits can be appreciated. The results presented by this thesis show how, despite the lack of data due to the short trajectory of the still young GEDI mission, the data collected by the satellite are useful both for mapping vegetation of the different regions that the satellite travels as for localized studies related to the evolution of crop fields. This study shows that the accuracy obtained with GEDI measurements is very adequate to determine the state of forests, but the values are not accurate for grasses, most agricultural crops or shrubs. Therefore, GEDI measures will help monitor the evolution of the planet's large forest masses and analyse carbon stocks, and take action to preserve these ecosystems so necessary for the survival of our planet. They will also be useful in improving models for climate forecasting, forest management, monitoring of ice and snow layers, and the generation of digital terrain elevation maps.La acción humana en los ecosistemas del planeta Tierra ha transformado de forma radical la estructura y las condiciones de la vegetación. La deforestación masiva, ya sea por incendios, para urbanización o para cultivos ha provocado la pérdida de 178 millones de hectáreas de extensión forestal en las últimas tres décadas. Los bosques son los pulmones de nuestro planeta, ya que absorben mucha parte del dióxido de carbono de la atmósfera y por lo tanto, es muy importante preservarlos. Por ello, es importante encontrar sistemas precisos para medir el estado de los mismos y ver su variación y evolución. Los satélites de observación de la Tierra pueden ayudar en este control al tomar medidas globales del planeta y de forma periódica. En este contexto, en 2018, la NASA (National Aeronautics and Space Administration) lanzó una nueva misión, la Global Ecosystem Dynamics Investigation (GEDI). El satélite GEDI produce observaciones de láser de alta resolución de la estructura 3D de la Tierra, las medidas precisas del GEDI de la altura y la estructura vertical de la vegetación en bosques, así como la elevación de la superficie del terreno hacen avanzar enormemente nuestra capacidad para caracterizar y detectar cambios importantes en la estructura de las áreas de vegetación del planeta. Los datos de la misión GEDI han sido poco utilizados y analizados, todavía. Además, al disponer de datos solamente de los años 2019-2020, se hace difícil hacer análisis de la evolución de bosques sólo con los datos de esta misión. Actualmente, todavía se están haciendo estudios comparativos con medidas obtenidas con otras misiones, como las ICESat 1 y 2. El objetivo es medir masas de hielo, nubes, aerosoles, topografía y caracterizar la vegetación. El grupo de radiometría del CommSensLab-TSC comenzó a trabajar con la concepción y diseño del instrumento MIRAS (Microwave Imaging Radiometer with Aperture Synthesis, en inglés) por el satélite SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) de la Agencia Espacial Europea (ESA) hacia los años 90. Desde entonces, además de trabajar en el diseño y mejora de las prestaciones del instrumento, también ha trabajado con el desarrollo de algoritmos para obtener la salinidad en el océano y la humedad del sol a partir de las medidas en banda L. Actualmente, uno de sus focos es el desarrollo de nuevas aplicaciones que requieren la sinergia y combinación de datos de diferentes satélites. Sobre tierra, se ha desarrollado un algoritmo de incendios de predicción de área potencial quemada sobre la península Ibérica, y en estos momentos se está trabajando en estudios de biomasa, stocks de carbono, estado hídrico de la vegetación, entre otros. En estos estudios, se está empleando el parámetro VOD (Vegetation Optical Depth) de las misiones SMOS de la ESA y SMAP (Soil pistu Active- passive) de la NASA en combinación con otros datos como puede ser la humedad y la temperatura. El conocimiento preciso de la altura de la vegetación y su evolución en bosques es un dato muy útil en estos estudios. El objetivo principal de esta tesis es llevar a cabo un estudio sobre la estructura y manipulación de los datos que obtiene el satélite GEDI, su composición y la forma en la que están almacenadas. Como segundo objetivo se ha hecho un estudio de la situación de las áreas forestales y agrícolas en el territorio catalán basado en las variables obtenidas en la misión en el ciclo 2019-2020. Por lo tanto, esta memoria ha sido dividida en dos partes principales; En la primera parte se presentan los objetivos y las aplicaciones de la misión GEDI, la forma en la que se obtienen los datos a través del láser y la estructura en la que estos datos son almacenados. En la segunda parte de la tesis se presenta el estudio de los datos de la altura de la vegetación en Cataluña, se observa la forma en la que se tratan los datos, así como análisis comparativos de regiones concretas, con áreas vegetales específicas. Se aprecian los detalles y la precisión con que los datos son recopilados y el uso que se les puede dar considerando la recopilación recurrente de las mismas a lo largo de múltiples órbitas. Los resultados presentados por esta tesis exponen como, a pesar de la carencia de datos debida a la corta trayectoria de la aún joven misión GEDI, los datos recopilados por el satélite son de utilidad tanto para trazar mapas de vegetación de las diferentes regiones que el satélite recorre, como para estudios localizados relacionados con la evolución de campos de cultivo. Este estudio demuestra que la precisión obtenida con las medidas de GEDI es muy adecuada para determinar el estado de los bosques, pero los valores no son precisos para hierbas, la mayoría de cultivos agrícolas o matorrales. Por tanto, las medidas de GEDI ayudarán a controlar la evolución de las grandes masas forestales del planeta y analizar los stocks de carbono, y tomar acciones para preservar estos ecosistemas tan necesarios para la supervivencia de nuestro planeta. También serán útiles para mejorar los modelos de predicción climática, gestión de bosques, seguimiento de las capas de hielo y nieve y generación de mapas digitales de elevación del terreno.L'acció humana en els ecosistemes del planeta Terra ha transformat de forma radical l?estructura i les condicions de la vegetació. La desforestació massiva, ja sigui per incendis, per a urbanització o per a cultius ha provocat la pèrdua de 178 milions d'hectàrees d'extensió forestal en les últimes tres dècades. Els boscos són els pulmons del nostre planeta, ja que absorbeixen molta part del diòxid de carboni de l'atmosfera i per tant, és molt important preservar-los. Per això, és important trobar sistemes precisos per a mesurar l'estat dels mateixos i veure'n la seva variació i evolució. Els satèl·lits d'observació de la Terra poden ajudar en aquest control al prendre mesures globals del planeta i de forma periòdica. En quest context, el 2018, la NASA (National Aeronautics and Space Administration) va llençar una nova missió, la Global Ecosystem Dynamics Investigation (GEDI). El satèl·lit GEDI produeix observacions de làser d'alta resolució de l'estructura 3D de la Terra, les mesures precises del GEDI de l'alçada i l'estructura vertical de la vegetació en boscos, així com l'elevació de la superfície del terreny fan avançar enormement la nostra capacitat per caracteritzar i detectar canvis importants en l'estructura de les àrees de vegetació del planeta. Les dades de la missió GEDI han estat poc utilitzades i analitzades, encara. A més, al disposar de dades solament dels anys 2019-2020, es fa difícil fer anàlisis de l'evolució de boscos només amb les dades d'aquesta missió. Actualment, encara s'estan fent estudis comparatius amb mesures obtingudes amb altres missions, com les ICESat 1 i 2. L'objectiu de les quals és mesurar masses de gel, núvols, aerosols, topografia i caracteritzar la vegetació. El grup de radiometria del CommSensLab-TSC va començar a treballar amb la concepció i disseny de l'instrument MIRAS (Microwave Imaging Radiometer with Aperture Synthesis, en anglès) pel satèl·lit SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) de l'Agència Espacial Europea (ESA) cap els anys 90. Des de llavors, a més de treballar en el disseny i millora de les prestacions de l'instrument, també a treballat amb el desenvolupament d'algorismes per obtenir la salinitat en l'oceà i la humitat del sol a partir de les mesures en banda L. Actualment, un dels seu focus és el desenvolupament de noves aplicacions que requereixen la sinergia i combinació de dades de diferents satèl·lits. Sobre terra, s'ha desenvolupat un algorisme d?incendis de predicció d'àrea potencial cremada sobre la península Ibèrica, i en aquests moments s?està treballant en estudis de biomassa, estocs de carboni, estat hídric de la vegetació, entre d'altres. En aquests estudis, s'està emprant el paràmetre VOD (Vegetation Optical Depth) de les missions SMOS de l?ESA i SMAP (Soil Pisture Active- passive) de la NASA amb combinació amb altres dades com pot ser la humitat i la temperatura. El coneixement precís de l?alçada de la vegetació i la seva evolució en boscos és una dada molt útil en aquests estudis. L'objectiu principal d'aquesta tesi és dur a terme un estudi sobre l'estructura i manipulació de les dades que obté el satèl·lit GEDI, la seva composició i la forma en la que estan emmagatzemades. Com a segon objectiu s'ha fet un estudi de la situació de les àrees forestals i agrícoles al territori català basat en les variables obtingudes en la missió en el cicle 2019-2020. Per tant, aquesta memòria ha sigut dividida en dues parts principals; En la primera part es presenten els objectius i les aplicacions de la missió GEDI, la forma en la que s'obtenen les dades a través del làser i l'estructura en la que aquestes dades són emmagatzemades. En la segona part de la tesi es presenta l'estudi de les dades de l'alçada de la vegetació a Catalunya, s'observa la forma en la que es tracten les dades així com anàlisis comparatius de regions concretes, amb àrees vegetals específiques. S'aprecien els detalls i la precisió amb que les dades són recopilades i l'ús que se'n pot donar considerant la recopilació recurrent de les mateixes al llarg de múltiples òrbites. Els resultats presentats per aquesta tesi exposen com, tot i la carència de dades deguda a la curta trajectòria de la encara jove missió GEDI, les dades recopilades pel satèl·lit són d'utilitat tant per a traçar mapes de vegetació de les diferents regions que el satèl·lit recorre com per a estudis localitzats relacionats amb l'evolució de camps de cultiu. Aquest estudi demostra que la precisió obtinguda amb les mesures de GEDI és molt adequada per determinar l'estat dels boscos, però els valors no són precisos per herbes, la majoria de cultius agrícoles o matolls. Per tant, les mesures de GEDI ajudaran a controlar l'evolució de les grans masses forestals del planeta i analitzar els estocs de carboni, i prendre accions per a preservar aquests ecosistemes tan necessaris per a la supervivència del nostre planeta. També seran útils per millorar els models de predicció climàtica, gestió de boscos, seguiment de les capes de gel i neu i generació de mapes digitals d'elevació del terreny