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Freiburger Geographische Hefte, Heft 57

MARZOLFF, IRENE, 1998: Großmaßstäbige Fernerkundung mit einem unbemannten Heißluftzeppelin für GIS-gestütztes Monitoring von Vegetationsentwicklung und Geomorphodynamik in Aragón (Spanien)

Monitoring of vegetation development and geomorphodynamics in Aragón (Spain) using large-scale imagery taken from a hot-air blimp and Geographic Information Systems

Favoured by semi-arid and arid climate and by a long-term history of human settlement and land use, land degradation and desertification are today threatening large areas in the Medi terra nean. The Iberian Peninsula in particular has during the outgoing century been subject to considerable land use changes inducing large-scale landscape modifications and often bringing about the triggering or intensification of degradation processes. Causing irreversible damage to the landscape, soil erosion by water has been proven to be the most severe degradation process in the Mediterranean belt. The documentation and investigation of geo morphological processes, of their development and their relationships with vegetation, soils, relief and climate gets to be the key for understanding and counteracting land degradation.

Aerial photographs and satellite images together with image processing and GIS technology are increasingly employed for monitoring of land degradation and soil erosion at regional or even global scale. However, neither spatial nor temporal resolution of this imagery corresponds to the magnitude and frequency of geomorphological processes which are often transitory and occur in close relation to complex patterns of vegetation cover and forms of the micro-relief. The investigation of the actual geomorphodynamics requires detailed and repeatable surveys of these small patterns of forms and processes which is not easily accomplished even with labour-intensive field work.

Since 1995, the EPRODESERT research project of the Institutes of Physical Geography at Frankfurt and Freiburg University has been studying the reasons and consequences of soil erosion and land degradation on areas under extensified land use, mostly abandoned fields and set-aside land, in North East Spain. The study presented in this dissertation is one of the core issues of the EPRODESERT project; it is concerned with the development and application of a remote sensing system which is specifically aimed at monitoring the project’s 24 m x 36 m test areas and their surroundings focussing on geomorphodynamics and vegetation succession. Major demands which had to be met at the development stage were high variability of flying heights (and thus image scale and resolution corresponding to various scales of investigation), temporal flexibility (and thus image repeatability), low cost, ease of use and transportability in remote areas.

The system employed for this study is a specially designed hot-air blimp (100 m³, approx. 10 m long) running on propane gas. It serves as a stable and vibration free platform for a revolvable twin camera system which comprises two 35-mm single-lens reflex cameras loaded with normal colour and infrared slide film. Burner and camera functions are remotely controlled from the ground while tether ropes enable to precisely position the blimp at up to 400 m height over the area to be photographed. With this system, photographic monitoring of several test sites was conducted during 6 field trips between 1995 and 1998, yielding several hundred images at scales between 1:200 and 1:10 000 (areal coverage approximately 35 m² to 10 ha).

A selection of photographs was subsequently digitised onto Kodak Photo-CD. Using image processing and GIS software for rectification and image analysis, a Process-Geomorphological Information System was developed consisting of digital georeferenced test area maps with 2.5 cm resolution. Visual photo interpretation combined with on-screen digitising, digital image classification and hybrid visual/digital classification methods enabled the detailed mapping of geomorphological processes, density and patterns of vegetation cover as well as plant life forms. Texture and fourier analysis were employed to automatically delineate micromorpho logical structures caused by ploughing. After calibration of the cameras, digital elevation models could be generated from stereoscopic images by photogrammetric analysis. The DEMs with 25 cm resolution and an orientation accuracy of 3-6 cm in height were used for computing slope and curvature maps as well as for the simulation of potential flow paths over the test areas.

This Process-Geomorphological Information System served for statistical analysis (predomi nantly by cross-tabulations and correspondence analyses) and interpretation of the develop ment and relationships between vegetation cover and geomorphodynamics under the influ ence of relief and precipitation at three test sites in the semi-arid Ebro Basin, the sub-humid Prepyrenees and the humid High Pyrenees. A generally negative correlation of geomorpholo gical process activity with vegetation cover density can be observed for all study sites, while the strength of correlation varies between climatic regions and within those for different plant life forms. An influence of micro-relief on actual geomorphodynamics exists mainly for linear erosion forms. Only when vegetation cover is very sparse outweighs the influence of relief as a factor controlling erosion processes the role of vegetation density; in this case, nano-relief (tilling pattern on set-aside field) can also considerably influence pattern and intensity of geomorphological processes. In addition to and supplementing these studies on vegetation/ geo mor phodynamics-relations, several chapters of this work are dedicated to detailed ob serva tions of geomorphological forms specific to the individual study areas (rill and gully erosion on fallow land of different age in the Ebro Basin, accumulation of rock fragments at the soil surface of the abandoned field in the Prepyrenees).

As a most important result can be concluded, that on the observed test areas erosion processes are occurring in patterns of high spatial frequency at far higher percentages of vegetation cover than tends to be assumed by most investigations into land degradation. Generally, a vegetation cover of 30-40% is taken as a threshold beyond which runoff and soil erosion rates reach negligible amounts. In contrast, results of the study presented here show sheet erosion on fallow land with up to 70% overall vegetation cover. Looking at small-scale patterns, moderate sheet erosion can even be observed at up to 90% vegetation density, and process dynamics may during several observation periods intensify even with increasing vegetation cover. In the semi-arid region in particular, where vegetation succession is limited by water stress, at least 60% of small-scale increases of vegetation cover are required in order to bring prevailing sheet erosion processes to a halt.

At the spatial scales between nano- and micro-relief of test areas, the presented study could provide evidence of distinct relations between spatially recordable control factors and pro cesses of land degradation (relief form, rock fragment cover, state and change of vegetation cover and actual geomorphodynamics). Unquestionably, these degradation processes and relationships continue to affect the landscape on higher scale levels and in larger geomorpho logical systems. The study thus represents a step towards the comprehension of process structures within the complex of vegetation succession and geomorphodynamics and towards the extra polation of these processes into geomorphological systems of different sizes. Further more, this work demonstrates the as yet little exploited potential of small format aerial photo graphy integrated with Image Processing and Geographic Information Systems. For geomor phological process research and above that for other space-related questions, the remote sensing method presented here allows to close the gap between terrestrial photography and conventional aerial photographs.

Resumen español

Teledetección de grán escala con un zeppelin aeroestático cautivo y uso de un SIG para el seguimiento de la dinámica vegetal y geomorfológica en Aragón (NE España)

La degradación y la desertificación son una amenaza para gran parte del área mediterránea, debido a su clima árido y semi-árido, y al uso del suelo por el hombre desde tiempos prehistó ricos. De forma muy especial la Peninsula Ibérica ha sufrido en el presente siglo importantes cambios en los usos del suelo, que llevan consigo grandes cambios paisajisticos y muchas veces son causa de, o al menos acentúan, los procesos de degradación. La erosión del suelo producida por el agua es la prueba tangible del proceso de degradación que sufre la área medi terránea. Para comprender los efectos de la degradación del suelo es necesario recopilar la información existente y llevar a cabo trabajos que nos permitan evaluar los procesos geomor fológicos que se desarrollan y las interrelaciones que se establecen con la vegetación, el suelo, el relieve y el clima.

Para el seguimiento de la degradación y la erosión a escala regional y global se utilizan cada vez más fotografías aéreas e imagenes satélite, junto con las técnicas SIG (Sistemas de Infor mación Geográfica). Sin embargo, la resolución temporal y espacial de estas imágenes no es la adecuada para la observación de la dinámica de los procesos erosivos a escalas mayores, ya que estos dependen de la variabilidad muy detatllada de la cobertura vegetal y del micro relieve. Para el estudio de la dinámica y los procesos erosivos actuales a escalas grandes se requiere un muestreo detallado y repetido de las formas y procesos, y la documentación continua del microrelieve.

El proyecto EPRODESERT, de los Institutos de Geografía Física de las Universidades de Frankfurt y Freiburg, investiga desde 1995 los factores y procesos de degradación en zonas de uso extensivo del territorio, principalmente campos abandonados y tierras retiradas, del nord este español. El trabajo que aquí se presenta trata uno de los elementos centrales de este proyecto, ya que desarrolla y aplica un sistema de teledetección especial para mostrar áreas test de 24 m x 36 m y su alrededor, centrandose en aspectos relacionados con la geomorfo logía y la sucesión vegetal. Los requerimientos técnicos que debía reunir este sistema eran un amplio abanico de alturas de vuelo, para obtener escalas de trabajo y niveles de resolución en relación a las necesidades de cada momento, la repetibilidad, el bajo coste y una utilización y transporte fáciles, que permitieran su uso en zonas poco accesibles.

Gracias a su estabilidad y sus nulas vibraciones se utilizó un globo aeroestático del tipo zeppelin de 10 m de longitud y 100 m³ de volumen, alimentado por gas propano. El zeppelin servía de soporte a dos cámaras reflex convencionales de 35 mm, cargadas con película para diapositiva de color e infrarroja. El control sobre el quemador y el sistema fotográfico se efectuó mediante control remoto desde el suelo. Dos cuerdas permiten colocar el zeppelin en el lugar adecuado hasta alturas de unos 400 m sobre el área estudiada. Este sistema permitió tomar cientos de imágenes a escalas de 1:200 a 1:10 000 (correspondientes a una área de 35 m² a 10 ha) durante 6 campañas en los años 1995 a 1998.

Se desarrolló un Sistema de Información de los Procesos Geomorfológicos consistente en mapas digitales georreferenciados (resolución de 2,5 cm), basados en la digitalización de parte de las fotografías aéreas con "Kodak Photo-CD", la rectificación y la análisis de las imagenes y el tratamiento con un SIG. La clasificación detallada de la cobertura vegetal, esquemas de distribución de la vegetación y de los tipos biológicos vegetales, así como la determinación de procesos geomorfológicos fue posible con la clasificación digital de espec tros, métodos híbridos visuales/digitales y la interpretación de imagenes visual combi nada con la digitalización en pantalla. Se utilizaron análisis de textura y Fourier para dibujar de forma automática las estructuras micromorfológicas causadas por el arado. Tras la calibra ción de las cámaras fotográficas se generaron por procedimientos fotogramétricos modelos digitales de elevaciones (MDE) con una resolución horizontal de 25 cm y una precisión verti cal entre 3 y 6 cm. Pertiendo de estos se calcularon mapas de pendientes, de curvaturas y de vias de escorrentía potenciales de las áreas de muestreo.

Este sistema de información de procesos geomorfológicos sirvió para realizar el análisis estadístico (principalmente tabulación cruzada y análisis de correspondencias) y para inter pretar el desarrollo y las relaciones entre la cobertura vegetal y dinámica geomorfológica bajo la influencia del relieve y la precipitación en tres puntos de muestreo: en la Depresión Central del Ebro (zona semi-árida), en el Prepirineo (zona sub-humeda) y en el Pirineo Central (zona húmeda). Se observa una correlación negativa entre la actividad de los procesos geomorfoló gicos y la densidad de cobertura vegetal en todos los lugares estudiados, mientras que el nivel de correlación en las zonas climáticas y dentro de ellas para diferentes tipos biológicos vege tales es variable. Las formas de erosión lineal están claramente condicionadas por la micro topografía y solo cuando el nivel de cobertura vegetal es bajo, el relieve es el factor determi nante de control. En este caso, el nanorelieve (formas creadas por la labor) influye claramente en la distribución y en la intensidad de los procesos geomorfológicos. Para completar estos estudios sobre las relaciones entre vegetación y dinámica geomorfológica, se dedican diversos capítulos a explicar de forma detallada las observaciones de las formas geomorfológicas específicas de las áreas de estudio (erosión lineal y barrancos en los campos abandonados de diferente edad de la Depresión Central del Ebro, evolución de la pedregosidad superficial en campos abandonados del Prepirineo).

La conclusión más importante a la que se llega en este trabajo, es que se observan procesos erosivos en zonas que tienen una cobertura vegetal superior a la hasta ahora supuesta en otros estudios sobre erosión y degradación. Una cobertura del 30-40% ha sido considerada, en la mayor parte de estudios, como suficiente para obtener tasas de escorrentía y producción de sedimentos muy bajas, pero los resultados de este trabajo muestran procesos de erosión lami nar en campos abandonados con una recubrimiento vegetal superior al 70%. De forma más detallada se observan procesos de lavado débiles con coberturas de hasta un 90%, e incluso un incremeto de la actividad erosiva a lo largo de varios periodos de observación con una cober tura creciente. En las zonas semi-áridas, con un importante estrés hidrico, es necesario un in cremento del 60% del recubrimiento vegetal para que se produzca una reducción de procesos de lavado.

Este trabajo aporta evidencias de distintas relaciones entre los factores reguladores y procesos de degradación (forma del relieve, pedregosidad superficial, estado y evolución de la cober tura vegetal, y de la geomorfodinámica actual) a escala de nanorelieve y de microrelieve. Indudablemente, estos procesos de degradación y las relaciones que se establecen entre ellos afectan a sistemas geomorfológicos mucho mayores. De este modo el presente trabajo contri buye a comprender el complejo de procesos relacionados con la sucesión de la vegetación y la geomorfodinámica, y a su transferencia a sistemas geomorfológicos de diferente escala. Ade más, este estudio demuestra el potencial, hasta ahora poco aprovechado, de la teledetección a grán escala con sistema económicos combinados con el tratamiento digital de imágenes y la incorporación de Sistemas de Información Geográfica. Este método es capaz de cerrar el vacío entre la fotografía terrestre y las fotos aéreas convencionales para la investigacion de procesos geomorfológicos y además de otros problemas relacionados con el espacio geográfico.

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