| Tesis Doctorales de la Universidad de Alcalá |
| VALIDACIÓN Y ANÁLISIS DE ERRORES EN PRODUCTOS DE ÁREA QUEMADA DERIVADOS DE OBSERVACIÓN SATELITAL | | Autor/a | Franquesa Fuentetaja, Magin | | Departamento | Geología, Geografía y Medio Ambiente | | Director/a | Chuvieco Salinero, Emilio | | Fecha de defensa | 02-12-2022 | | Calificación | Sobresaliente cum laude | | Programa | Tecnologías de la Información Geográfica (RD 99/2011) | | Mención internacional | No | | Resumen | Esta tesis doctoral se centra en el campo de la validación de productos globales de área quemada derivados de imágenes de satélite. La validación de cualquier producto de escala global es una parte fundamental de su desarrollo, ya que es preciso conocer la fiabilidad de una base de datos para que pueda ser efectivamente utilizada en la modelización de procesos globales. Al inicio de la tesis nos encontramos con varios problemas que hemos intentado paliar. Por un lado, no existía una base de datos de acceso público con perímetros de área quemada que pudiera utilizarse como referencia para validar de forma sistemática estos productos. En esta tesis se pretende mitigar dicha limitación mediante la creación de una extensa base de datos de referencia accesible para la comunidad científica. Por otro lado, se pretende contribuir a mejorar los métodos y protocolos de validación actuales, con el fin de avanzar en la estandarización de estos. En la misma línea y con el objeto de contribuir a la mejora de los productos de área quemada, se analizan las principales fuentes de error que afectan a dichos productos.
Esta tesis ha sido financiada y desarrollada dentro del proyecto para la provisión de productos de variables climáticas esenciales (ECV) Copernicus Climate Change Service (C3S) de Copernicus, el programa de observación de la tierra de la Unión Europea. Así mismo, ha recibido financiación del proyecto Fire Disturbance (FireCCI) perteneciente al programa Climate Change Initiative (CCI) de la Agencia Espacial Europea (ESA).
La tesis está organizada en 6 capítulos: introducción, cuatro publicaciones en revistas internacionales y conclusiones.
El primer capítulo incluye una introducción sobre la importancia de la validación desde una perspectiva general, teniendo en cuenta la evolución que ha seguido esta parte tan importante del proceso cartográfico desde las primeras etapas de la observación de la tierra mediante teledetección. En este apartado introductorio se señalan las claves principales sobre los procedimientos, limitaciones y dificultades que conlleva la validación de los productos de área quemada.
El segundo capítulo presenta la creación y publicación de la primera base de datos de áreas quemadas de referencia denominada Burned Area Reference Database (BARD). BARD recopila varios conjuntos de datos de referencia globales y regionales, generados para validar los productos de área quemada desarrollados en el marco del proyecto FireCCI, así como otros conjuntos de datos de referencia procedentes de distintos proyectos internacionales. La principal motivación para la creación de esta base de datos fue la falta de disponibilidad de datos de referencia que faciliten la validación de productos y calibración de algoritmos de área quemada. En este sentido, la mayoría de las publicaciones sobre validación no proporcionan los perímetros de referencia generados al efecto o se encuentran en formatos no estándar, dificultando el acceso a los datos y su uso en nuevos proyectos de validación. Además, debe tenerse en cuenta que la publicación de los datos de referencia producidos para evaluar la exactitud cartográfica de los productos de área quemada constituye un ejercicio de transparencia, ofreciendo así la posibilidad de verificar la fiabilidad de los datos de referencia. Por lo tanto, BARD proporciona un espacio de almacenamiento de fácil acceso, lo que permite a la comunidad científica descargar conjuntos de datos de área quemada de referencia en un formato estándar para fines de validación y calibración. El artículo correspondiente a este capítulo se publicó en la revista Earth System Science Data, cuyo índice de impacto es 11,815 en Journal Citation Report Impact Factor (IF) y 13,8 en Scopus CiteScore. Citas según Web of Science (WOS) (diciembre-2020 a septiembre-2022): 12.
El tercer capítulo propone una nueva metodología de validación aplicable a productos de área quemada global o regional. A partir de experiencias previas de validaciones llevadas a cabo dentro del proyecto FireCCI, la nueva metodología se diseñó para discriminar entre los errores de clasificación y de fechado, que influyen significativamente en las estimaciones de las métricas de exactitud espacial de los productos de área quemada. El nuevo enfoque de validación propuesto en este estudio se aplicó para estimar la exactitud espacial de varios productos de área quemada globales para el período 2017-2019, incluidos dos productos de área quemada europeos, FireCCI51 y C3SBA10, y el producto de área quemada estándar de la NASA, el MCD64A1 C6. Siguiendo las recomendaciones y buenas prácticas establecidas para los procedimientos de validación adoptados por el subgrupo Land Product Validation (LPV) del Commitee on Earth Obsevation Satellites (CEOS), se implementó un diseño de muestreo probabilístico para seleccionar unidades de muestreo que se distribuyeron en estratos pertenecientes a diferentes biomas y zonas de alta o baja ocurrencia de incendios. Los perímetros de área quemada de referencia en las unidades de muestreo se obtuvieron a partir de la comparación multitemporal de imágenes Landsat 8 atendiendo las recomendaciones del subgrupo CEOS LPV. Para ello, se implementó un algoritmo de detección de área quemada en la plataforma de computación Google Earth Engine (GEE) para extraer las áreas quemadas entre pares consecutivos de imágenes Landsat 8 en cada unidad de muestreo, las cuales se agregaron posteriormente para obtener unidades de referencia con una cobertura temporal larga. Finalmente, mediante la comparación de los productos de área quemada y los datos de referencia se obtuvieron las proporciones de área de acuerdo y de desacuerdo de las clases quemadas y no quemadas entre ambos conjuntos de datos, obteniendo las matrices de error, a partir de las cuales estimar las métricas de exactitud (es decir, los errores de comisión y omisión, entre otras métricas). Los resultados de este estudio mostraron que los protocolos de validación actuales basados en unidades de referencia temporales cortas (es decir, unidades de referencia de 16 días) sobrestiman los errores de clasificación espacial, al mezclarlos con los errores de fechado (áreas correctamente clasificadas pero etiquetadas unos días más tarde del momento real de quemarse). Los métodos propuestos en este estudio mejoran la evaluación de la exactitud espacial de los productos de área quemada al reducir el impacto de los errores temporales sobre las estimaciones de los errores de omisión y comisión. El conjunto de datos de referencia globales generado en este trabajo se agregó a BARD, extendiendo la base de datos en tres años más (2017-2019). El artículo correspondiente a este capítulo se publicó en la revista Remote Sensing of Environment, que tiene un IF de 13,85 y un CiteScore de 20,7. Citas según WOS (noviembre-2021 a septiembre-2022): 6.
El cuarto capítulo presenta un análisis sistemático de las posibles fuentes de error que pueden afectar la exactitud de los productos de área quemada globales. El objetivo principal de dicho análisis fue identificar las principales limitaciones y debilidades de dichos productos. FireCCI51, seleccionado como ejemplo de producto de área quemada global, y el conjunto de datos de referencia mencionado en el párrafo anterior del capítulo 3, se compararon para obtener (i) matrices de error para estimar los errores asociados al tamaño de píxel del producto de área quemada, la sobreestimación y falsas detecciones de área quemada y (ii) mapas de errores (es decir, capas de errores de comisión y omisión) que se relacionaron con diferentes factores que podrían explicar los errores de clasificación. La densidad de fuegos activos (active fires), la severidad, el tamaño de las áreas quemadas y la clase de cobertura terrestre fueron seleccionadas como posibles variables explicativas de las falsas detecciones y omisiones del producto. Los resultados de estos análisis mostraron que los errores de comisión asociados al tamaño de píxel de FireCCI51 representan hasta el 80% de la comisión total del producto. La prueba estadística calculada para estimar la significancia de las relaciones entre los factores explicativos y los errores de comisión y omisión, reveló que el tamaño de las áreas quemadas es un factor determinante de la exactitud espacial de los productos de área quemada. Los resultados de este estudio permiten una mejor comprensión de las limitaciones de los productos de área quemada globales en cuanto a exactitudes máximas alcanzables y, a su vez, brindan información de interés a tener en cuenta para mejorar los productos de área quemada globales actuales. El artículo correspondiente a este capítulo se publicó en la revista Remote Sensing of Environment.
El quinto capítulo presenta un análisis del impacto de los errores de exactitud en los propios datos de referencia sobre las métricas de exactitud obtenidas al validar un producto de área quemada. Específicamente, se analizó cómo los errores de exactitud derivados de la interpretación de las imágenes satelitales durante el proceso de generación de los datos de referencia afectan a los resultados de la validación de un producto de área quemada. A diferencia del capítulo anterior, dónde se analizaron las fuentes de error que afectan al rendimiento de los algoritmos de área quemada, en este estudio, la exactitud de los datos de referencia, que depende en gran medida de la correcta interpretación de las áreas quemadas y no quemadas por parte del analista, se considera como fuente de error del propio proceso de validación. Con este objetivo, se generaron varios conjuntos de datos de referencia de forma independiente por varios intérpretes en 60 áreas de 10 km x 10 km ubicadas en regiones tropicales de América del Sur. Posteriormente, se calcularon las métricas de exactitud del producto de área quemada FireCCI51 con cada conjunto de datos de referencia. La comparación de dichas métricas permitió analizar la influencia del intérprete en los resultados finales de validación. Además, se seleccionaron distintas variables como fuentes explicativas de las discrepancias entre las clasificaciones de área quemada de referencia generadas por los distintos intérpretes, entre estas, la severidad del fuego, el porcentaje de cobertura arbórea y la altura del dosel. Los resultados de este análisis mostraron que las métricas de exactitud obtenidas en la validación de un producto de área quemada pueden variar significativamente dependiendo de la exactitud de los datos de referencia, destacando la importancia de la formación y experiencia del analista a la hora de generar los datos de referencia. La severidad del fuego, junto con la altura del dosel, constituyen factores importantes de discrepancia entre las clasificaciones de área quemada de referencia entre los distintos intérpretes, siendo las áreas quemadas con menor severidad y mayor altura del dosel las que presentan una mayor dificultad en ser identificadas como tales. El artículo (technical note) correspondiente a este capítulo se publicó en la revista Remote Sensing, que tiene un IF de 5,349 y un CiteScore de 7,4.
Finalmente, el quinto y último capítulo recoge las principales conclusiones derivadas de la investigación realizada en esta tesis doctoral. En este capítulo se destacan los puntos principales del trabajo de investigación de la tesis en un sentido amplio para comprender su relevancia y contribución científica al campo de la validación. Asimismo, se proponen recomendaciones y futuras líneas de investigación. |
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