A multisensor and multiscale methodological framework for the management of complex natural ecosystems

Abstract

Los ecosistemas proporcionan una amplia variedad de recursos naturales que mejoran el bienestar humano. Sin embargo, en las últimas décadas, ha habido una disminución en dichos recursos, así como en la biodiversidad de los ecosistemas. Por ello, el estudio del estado de conservación de áreas naturales es esencial para guiar a los gestores ambientales en su toma de decisiones. En las últimas décadas, la teledetección, al ser una tecnología precisa y que permite una visión global, sinóptica y repetitiva, se ha convertido en una herramienta importante en el estudio de los ecosistemas, ofreciendo la oportunidad de proporcionar información constante en el tiempo y el espacio, para ayudar en la vigilancia de los ecosistemas y de su estado de conservación. El objetivo general de la Tesis consiste en el análisis y desarrollo de metodologías avanzadas de procesado que aplicadas a imágenes multiespectrales e hiperespectrales de muy alta resolución, permitan la obtención de información precisa para la conservación de ecosistemas terrestres complejos y vulnerables. Por lo tanto, se han implementado técnicas avanzadas en cada etapa de procesado para corregir o mejorar la calidad de las imágenes y permitir la generación de productos para los gestores de las zonas protegidas, centrándose principalmente en el Parque Nacional del Teide, ubicado en la isla de Tenerife. Se puede afirmar que esta Tesis ha logrado desarrollar un marco general de procesado que podría utilizarse como referencia para la generación de cartografía de especies vegetales, usando imágenes multiespectrales e hiperespectrales de alta resolución, en cualquier tipo de ecosistema complejo.

Biodiversity conservation on ecosystems is an essential task to protect them from the anthropogenic pressure and climate change, among others. In the last decades, remote sensing has become an important tool to complement field observations in the study of ecosystems and offers different types of sensors to carry out these tasks. Specially, very high spatial resolution sensors are trending for performing conservation studies and monitoring ecosystems. In this context, the general objective of the Thesis is to analyze complex and vulnerable ecosystems, using advanced multi-sensor remote sensing imagery, specifically, very high spatial resolution multispectral and hyperspectral data, to obtain high quality products which allow the comprehensive analysis of natural resources. Thus, advanced processing methodologies are analyzed and applied in ecosystems of Canary Islands (Spain), mainly in the Teide National Park. In particular, pre-processing techniques, specially adapted for this specific type of imagery and study area, were investigated and assessed. Specifically, apart from the radiometric calibration and the removal of the atmospheric effects, image fusion techniques were applied to the multispectral and hyperspectral imagery to improve its spatial quality. In addition orthorectification, co-registration and hyperspectral dimensionality reduction methods were also considered in the methodology. Regarding the processing steps, advanced spectral unmixing and classification algorithms were reviewed, applied and tested. The final objective of the comprehensive study carried out was to obtain a robust, automatic, and effective methodology for the accurate and systematic mapping of endemic and colonizing plants species, to obtain specific products for the management of complex and heterogeneous land ecosystems. Finally, a change detection study was performed to monitor and analyze the changes of Teide National Park. The Thesis offers a methodological framework ecological relevant, effective, flexible and transferable to other systems that could be used as a reference for the generation of land products, important not only at ecological level, but also at social and economic level.