Monitoreo Satelital en la ... - Universidad de...
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Monitoreo Satelital en la Superintendencia del Medio Ambiente
En el contexto de la Fiscalización Ambiental 2.0
Ariel RussellEquipo de Geo InformaciónDepartamento de Gestión de la Información1 de Abril 2019
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1 Contexto
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Superintendencia del Medio Ambiente
• Servicio público descentralizado
• Supervigilancia del Gob. de Chile a través del Ministerio del Medio Ambiente
• Funcionamiento desde el 28 de diciembre de 2012
Misión “Proteger el medio ambiente y la salud de las personas, asegurandoel cumplimiento de la normativa ambiental en Chile”
Visión ”Un país responsable con su medio ambiente”
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Funciones
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5
2 Motivación
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El Desafío de la SMA
Fiscalizar instrumentos de carácter ambiental
Agrupados en más de 14.500 Unidades
Fiscalizables diversas y complejas
>16.000 10 17 16 316 1
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Aspectos limitantes
• Presupuesto limitado: ~11.000 MM$ (~590 $/pp)
• Baja cobertura: 9,66% de unidades fiscalizadas
• Incidencia: 19,33% de las fiscalizaciones de RCA generan un
procedimiento sancionatorio
• Incertidumbre: 50% de los procesos sancionatorios provienen
de denuncias
Fuente: Memoria de Gestión 2014-2018.
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Programa de Monitoreo Ambiental
Territorial (PMAT)
• Monitoreo satelital (PR)
• Monitoreo con dispositivos (IoT)
Alternativa
Uso de herramientas tecnológicas para el monitoreo del medio ambiente y las actividades que se desarrollan en este y así contar con información suficiente y oportuna
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9
3 Oportunidades
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Sistemas de Observación de la Tierra de
Datos Abiertos de mediana y alta resolución
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Gran volumen de producción científica
y creciente comunidad de usuarios
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Avances en infraestructura de cómputo
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4Programa de Monitoreo Ambiental Territorial
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OBJETIVO
“Otorgar a la SMA capacidades de monitoreo, alerta
temprana, y de apoyo a los procesos de Fiscalización
y Sanción a través del uso de tecnologías de
percepción remota y vigilancia periódica en la forma
de un Programa de Monitoreo, para fortalecer su
capacidad fiscalizadora y focalizar los recursos con los
que cuenta para tal fin”
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Cumplimiento ambiental 2.0
Disponible en portal:http://www.sma.gob.clSección Documentos/Publicaciones
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PROGRAMAS O SUBPROGRAMAS
Fijados por resolución
OFICIO
Por iniciativa propia
Enfoque preventivo y respuesta temprana
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Lineamientos generales
Fuentes de información EOS Open Data:
- Disponibilidad regular y revisita conocida- Registro temporal extendido- Mayor cantidad de publicaciones y aplicaciones conocidas - Acorde a realidad presupuestaria
Software de código abierto (R, SNAP, PolSARPro, etc):
- Mayor transparencia- Asegurar replicabilidad en ciudadanía y regulados- Acorde a realidad presupuestaria
Alto estándar probatorio:
- Cadena de custodia, procedimientos y métodos públicos- Sistematizar y promover el alcance probatorio
Cómputo de alto rendimiento:
- Métodos con apoyo de herramientas HPC (Spark, CUDA, Etc)
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Sensores pasivos más utilizados
Landsat 5, 7 y 8
(TM, ETM+, OLI/TIIRS)
• Media resolución espacial (30 m.)
• Disponibles desde 1985
• Revisita combinada: 8 días (ETM+ y OLI)
• > 500.000 papers
• TM y EMT+: VNIR comparable desde 1985 al presente
Sentinel 2a y 2b
(Sensor MSI)
• Resolución espacial media (10 m. VNIR)
• Disponible desde 2016 (S2a)
• Revisita combinada: 5 días
• Bandas Red-Edge(Correcciones atmosféricas)
Soumi-NPP
(Sensor VIIRS)
• Baja resolución espacial (375-750m) y gran swath (3060 km.)
• Cobertura: Cada 12 horas
• Productos L2 térmicos y nocturnos
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Sensores SAR más utilizados
Sentinel 1 A / B
• ESA (Copernicus)
• 2014 – 2030
• Banda C
• Revisita combinada de 6 días, ascendente y descedente
• Dual Pol (VV+VH)
ALOS (PalSAR)
• JAXA (Japón)
• 2006 - 2011
• Banda L
• Polarizaciones:
• HH
• HH+HV
• HH+HV+VV+VH
NISAR (Futura)
• NASA-ISRO (EEUU India)
• 2021 –
• 6 días
• Dual Pol (HH-HV)
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20
Data Center Local:Seguridad de la informaciónPatrimonio de datosAmbientes de desarrollo
Hardware y plataformas
Google Earth Engine:Productos indexados
Sencillez en análisis exploratorios (1 línea de código)Gran capacidad de cómputo
Desarrollo de Apps para áreas de negocio
Servicios la nube (VM): Mejor acceso de información (Estaciones terrenas fuera de Chile)Mayor capacidad de procesamientoManejo dinámico de capacidades según demandaImprescindible en productos SAR Single Look Complex
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Cloud service para la adquisición de datos
350 MB
Escena LandsatPromedio
10GB
1 Escena x 30 años
4 Escena x 30 años
42 GB
3 TB
NacionalCobertura Nacional72 Escenas Landsat
Descarga, Almacenamiento y
Procesamiento
Servidor Local AZURE
2 a 3 días 10 minutos
Descarga de 30 imágenes
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Productos
Monitoreo Continuo
Estudios probatorios
Aplicaciones Web
Productos de apoyo
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5 Productos de apoyo
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Aplicaciones discretasLEVANTAMIENTO DE HECHOS
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Aplicaciones discretasANÁLISIS DE CAMBIOS
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Aplicaciones discretasIMPACTO DISUASIVO
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Impacto disuasivo
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Aplicaciones discretasRESPUESTA TEMPRANA Mortandad de Peces Río Huenchullamí
23 febrero 2019
10 marzo 2019
5 marzo 2019
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6 Estudios probatorios
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Objeto de estudio
Control
Referencia de afectación
𝑆𝐴𝑉𝐼 =𝐼𝑅𝐶 − 𝑅𝑜𝑗𝑜
𝐼𝑅𝐶 + 𝑅𝑜𝑗𝑜 + 𝐿∗ (1 + 𝐿)
Estudios probatoriosEj: C. Minera Maricunga
Los pozos fueron clausurados y la sanción (2016) fue confirmada por el 2TA (2017) y Corte Suprema (2018). Además, el 2TA sentenció daño ambiental y Plan de Reparación
(2018)
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7Monitoreo continuoEj: En producción
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1.- Monitoreo Automatizado de Acuicultura del Salmón
Monitoreo Continuo
>1400 concesiones (salmónidos) en 4 regiones.
Alto Costo logística y dificultad para presencia en terreno.
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Nubosidad y ventajas SAR
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Jaula CESSuperficie marina
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Monitoreo de Acuicultura (CES)
Objetivos
Monitoreo panorámico
Determinar la ubicación de los CES a
nivel nacional, determinando
existencia y cumplimiento respecto a
compromisos ambientales*
*Ubicación sobre zona autorizada
(concesión) y evaluada
ambientalmente
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1. Open Data
2. Alta Disponibilidad
• Dos satélites: S1A y S1B
• 5 estaciones terrenas y 2 data hubs
3. Programa de continuidad
S1C y S1D hasta 2030, al menos
4. Banda C (λ≈5.24 cm)
5. Cada 6 días, al menos
6. Polarización dual (VV, VH)
Insumos: Sentinel 1A y 2B
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Ciclo de vida del proyecto
2018: Primera entrega de herramienta en producción (nacional)
Proceso automatizado (mejorado) + Proceso de validación sobre hallazgos
METODOLOGIA: Procedimiento Preliminar: “Fiscalización de localización de centros de cultivo y caducidad por medio de
Imágenes SAR V1” (2017)
TESTING: Elaboración de experiencias piloto (2017)
• Piloto Magallanes, análisis de 64 Concesiones
• Piloto Aysén, análisis de 590 concesiones
EVALUACIÓN
• Validación de hipótesis de automatización
• Presencia de errores por borde costero y sombra geográfica
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Método: Clasificación polarimétrica dual y vectorizaciónde mecanismos de dispersión representativos
Tipos de polarización SAR
HH
VV
HV
VH
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Conformes No ocupado
Tolerancia (Módulo) Tolerancia (Pontón)
No Conforme (Módulo) No Conforme (Pontón)
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Resultados finales
1. Presencia de actividades por concesión
2. Presencia de hallazgos
3.- Tipo de hallazgos
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Ranking de cumplimiento
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2.- Monitoreo de humedales alto andinos
Monitoreo Continuo
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Monitoreo de humedales alto-andinos
Encontrar humedales alto andinos que presenten algún
proceso de degradación evidente reflejado por
cambios en la cobertura y/o vigor de su vegetación.
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Métodos Tradicionales vs aproximación Big Data
Enfoque Tradicional Nuevo Enfoque
Análisis puntuales, nivel local. Análisis a nivel regional o nacional.
Necesidad de fragmentar unidades a priori. Utilización de valores promedio.
Enfoque pixel a pixel. Mayor precisión espacial.
Análisis de tendencia lineal, no incluye comportamiento fenológico.
Adición de modelo de temporada, permite simular fenología.
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Input Análisis
United States Geological Survey
Imágenes Satélites Landsat
Fuente: USGS, 2017.
Fuente: USGS, 2017.
Landsat Colection 1 Level 2
Reflectancia de la Superficie
Resolución espacial: 30
metros
Resolución temporal: 16 días
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Métodos de Análisis Series Temporales
BFAST (Break detection For Additive Season and Trend)
DBEST (Detecting Breakpoints and Estimating Segments in Trend )
• Modelo a partir de periodo histórico.
• Considera fenología.• Definición de periodo de
monitoreo.
• Fragmentación de la tendencia.• Considera fenología.• Detección adaptativa de cambios
graduales y abruptos
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Método: preparación y análisis
Insumo Satelital: Landsat 5 y Landsat 7 Índice de Vegetación Ajustado al Suelo (SAVI)
Selección áreas a evaluar:
• Cantidad de datos periodo base.
• Umbral: mediana SAVI>0.08.Análisis Series Temporales: BFAST
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• Filtro de pixeles de interés
• Eliminar efecto de sombreado topográfico
• Inter calibración entre sensores
• Corrección de bandeo
Análisis Espacio Temporal
Pre Procesamiento imágenes satelitales
Análisis series temporales
• Códigos Optimizados
• Procesamiento multi núcleo
• Tiempos de procesamiento de días y horas, reducido a minutos
SIN HPC
CON HPC
1 día o mas
90 min
Pre procesamiento + Análisis 30 imágenes
• DBEST
• BFAST
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Humedales Altoandinos
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Otras aplicacionesDeforestación ÁREA IMPACTADA: 3 ha.
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• Caso Minera Española.
• Deforestación de quebrada y ampliación de caminos.
• Proceso sancionatorio concluyó en cierre de la mina.
• AREA IMPACTADA: 20 ha.
Quebrada de la Plata
Diciembre 2012
Diciembre 2013
Otras aplicaciones
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3.- Priorización de actividades de fiscalización por norma lumínica
Monitoreo Continuo
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Imágenes Nocturnas Sensor VIIRS (SOUMI-NPP)
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5
0
5
0
5
0
Análisis de zonas urbanas
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mcd/m25
0
mcd/m25
0
Análisis de instrumentos de gestión ambiental
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95
Km
120
Km
5
0
35
Km
20
Km
5
0
Análisis de Riesgo asociado a sitios de observación astronómica
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58
8 Aplicaciones Web
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Plataforma web para visualización de resultados de monitoreo anual de Humedales Altoandinos
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Exploradores de imágenes
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Exploradores de imágenes
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62
9Desafíos futuros y Oportunidades Copernicus
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1.- NECECIDAD DE MÁS INVESTIGACIÓN Y DATOS DE
CALIBRACIÓN
Ej: Monitoreo de Calidad de Aguas con Sentinel 2
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Sentinel-2 para aplicaciones en Calidad de Agua
Oportunidad: Bandas enlongitudes de onda similares aLandsat-8, el cual ha demostradoser útil para la estimación deparámetros de calidad de agua.
Ventaja: Bandas red-edge (NIR), lo quepresenta una gran ventaja para aguas costerase interiores con mayores concentraciones declorofila, solidos en suspensión y materiaorgánica disuelta.
Fuente: Pahlevan et al, 2017.
Fuente: NASA, 2018.
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Resolución Espacial: Mayor densidad de pixeles de agua pura en borde
costeros y permite estudiar cuerpos de agua interiores pequeños y
pequeños emisores.
Fuente: Dall’Olmo y Gitelson, 2005.
Fuente: Pahlevan et al, 2017.
Sentinel-2 para aplicaciones en Calidad de Agua
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2.- DISPONIBILIDAD DE IMAGINERÍA SATELITAL EN SERVIDORES LOCALES Y
HPC
Ej: Magnitud de la información Copernicus
Ej: Series temporales interferométricas (SLC)
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INSAR Para Riesgo Ambiental y Daño Patrimonial
Estabilidad de taludes
Subsidencia en zonas urbanas
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Métodos P-SBAS y Persistent Scatterer InSAR (PS-InSAR)
Creación de datasetspara cada análisisAlto consumo en
almacenamiento y cómputo
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DInSAR: Subsidencia por disminución del nivel freático
Bradfort et al. (MIT), 2015
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2.- MEJORAR LA FORMACIÓN DE CAPITAL HUMANO AVANZADO Y
ESTÁNDARES MÍNIMOS EN PERCEPCIÓN REMOTA
Ej: Magnitud de la información Copernicus
Ej: Series
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Capital Humano Avanzado
• La institucionalidad no solo debe desarrollar análisis sino también mejorar la calidad de los insumos que presentan sus regulados.
• Escasos programas de postgrado con formación profunda en herramientas de teledetección.
Mejorar estándares
• Contar con un protocolo técnico que sirva de estándar para la admisibilidad de evidencias entregadas por los regulados, y que sea compartida por los demás organismos sectoriales con competencias de fiscalización ambiental, reunidos en la RENFA (Red Nacional de Fiscalización Ambiental)
• GRSS Standards Comittee: Generación de un Plan Nacional de Normalización de Productos Satelitales, con suficiencia técnica y que sea utilizado por consultores y regulados.