Coupling advanced earth observation, Machine learning, GeoAI, and CA-ANN model for assessing Spatio-temporal LULC change in Gilgel Gibe I Watershed, Upper Omo-Gibe Basin, Ethiopia

El paisaje de la Tierra nunca está verdaderamente quieto. Respira, se desplaza y se transforma a medida que las personas plantan cultivos, construyen hogares y talan bosques para dar paso a nuevas necesidades. Esta constante remodelación del suelo bajo nuestros pies se conoce como cambio de uso de la tierra, y es una de las fuerzas más poderosas que alteran nuestro planeta hoy en día. Cuando las áreas naturales como los bosques y los pastizales se convierten en granjas o ciudades, los efectos dominó afectan todo, desde el agua que fluye en los ríos hasta los animales que habitan esos lugares. Para comprender estos cambios, los científicos han dependido durante mucho tiempo de observar la Tierra desde arriba, utilizando satélites para tomar fotografías del mismo lugar a lo largo de muchos años. En las últimas décadas, la capacidad de procesar estas colecciones masivas de imágenes ha explotado, gracias a potentes computadoras en la nube que pueden analizar vastas cantidades de datos en segundos. Al combinar estas vistas satelitales con programas informáticos inteligentes que pueden aprender patrones, los investigadores ahora pueden no solo ver cómo ha cambiado un paisaje en el pasado, sino también simular cómo podría verse en el futuro. Esta capacidad es vital para las comunidades que necesitan planificar la seguridad hídrica, la producción de alimentos y la protección de su entorno natural.

En las tierras altas de Etiopía, una región conocida como la cuenca de Gilgel Gibe I, estos cambios están ocurriendo con una velocidad sorprendente. Esta zona, que alimenta el enorme sistema fluvial Omo-Gibe, es una fuente crítica de agua para el riego, el consumo humano y la generación de electricidad para el país. Sin embargo, la tierra aquí está bajo una intensa presión. Un equipo de investigadores se propuso comprender exactamente qué ha estado sucediendo con la tierra durante las últimas dos décadas y pronosticar qué podría suceder en las décadas venideras. Se centraron en una pregunta específica: a medida que la población crece y la necesidad de alimentos y vivienda aumenta, ¿cómo cambia el equilibrio entre bosques, pastizales y tierras de cultivo, y qué significa eso para el futuro de la cuenca?

Para responder a esto, los científicos recurrieron a un kit de herramientas digitales que combina imágenes satelitales avanzadas con inteligencia artificial. Reunieron imágenes del espacio tomadas en 2004, 2014 y 2024, cubriendo un periodo de veinte años. Estas imágenes procedían de diferentes satélites, algunos capturando la Tierra con alto detalle y otros proporcionando una visión más amplia. Utilizando un sistema basado en la nube llamado Google Earth Engine, los investigadores introdujeron estas imágenes en un algoritmo de aprendizaje automático conocido como Random Forest (Bosque Aleatorio). Piense en este algoritmo como un estudiante de vista muy aguda al que se le han mostrado miles de ejemplos de cómo se ven los bosques, las granjas y las ciudades desde el espacio. Al aprender de estos ejemplos, la computadora fue capaz de clasificar automáticamente cada píxel de las imágenes en una de seis categorías: bosque, agua, áreas construidas, tierra desnuda, pastizal o agricultura. La computadora hizo esto con una precisión notable, identificando correctamente la cobertura del suelo más del 93% de las veces en el año más reciente, brindando al equipo una imagen clara y precisa del paisaje en tres momentos distintos en el tiempo.

Los resultados de esta revisión histórica revelaron una transformación dramática. En 2004, casi el 20% de la cuenca estaba cubierta por bosque. Para 2024, ese número había caído estrepitosamente a poco más del 8%, una pérdida de casi 50,000 hectáreas de árboles. En su lugar, la agricultura ha aumentado drásticamente. Las tierras de cultivo pasaron de cubrir aproximadamente el 60% del área en 2004 a casi el 79% en 2024. Este cambio no fue un desplazamiento lento, sino una conversión rápida, donde los bosques naturales y los pastizales fueron sistemáticamente transformados en campos para alimentar a una población creciente. Al mismo tiempo, el área cubierta por asentamientos humanos, o tierras construidas, explotó. Lo que antes era una fracción minúscula del paisaje, menos del 1%, creció a más del 3% en solo veinte años, representando un aumento masivo en la huella de pueblos y aldeas. Los pastizales, que una vez cubrieron casi el 13% de la cuenca, se redujeron a la mitad, desapareciendo para dar lugar a cultivos y asentamientos.

Pero la historia no termina con el pasado. Los investigadores querían saber hacia dónde se dirigía esta trayectoria. Para ello, utilizaron un sofisticado modelo de simulación que combina dos conceptos poderosos: autómatas celulares y redes neuronales artificiales. En términos sencos, este modelo actúa como una bola de cristal digital. Observa las reglas que rigieron los cambios de la tierra entre 2004 y 2014 —como qué tan cerca estaba un trozo de tierra de una carretera, qué tan empinada era la pendiente o qué tan lejos estaba de un pueblo— y aplica esas mismas reglas para predecir cómo será la tierra en 2034 y 2044. Antes de confiar en el modelo para el futuro, el equipo lo probó pidiéndole que predijera el paisaje de 2024 basándose en datos anteriores. El modelo tuvo éxito, coincidiendo con el mapa real de 2024 con alta precisión, lo que les dio confianza para mirar más allá.

Las proyecciones para las próximas décadas pintan un panorama desalentador de cambio continuo. Si las tendencias actuales persisten, se espera que la cobertura forestal en la cuenca se reduzca aún más, cayendo a solo un 6.5% del área total para 2044. Esto significaría que más de tres cuartas partes del bosque que existía en 2004 habrían desaparecido. Por el contrario, se proyecta que las tierras de cultivo se expandirán para cubrir más del 81% de la cuenca, acercándose a un punto en el que quedará muy poca tierra natural para convertir. Las áreas construidas también se espera que crezcan rápidamente, duplicando su tamaño en los próximos veinte años a medida que la urbanización se acelera. Los pastizales, ya disminuidos, se proyecta que desaparecerán casi por completo, dejando atrás un paisaje dominado por cultivos y concreto.

Estos cambios conllevan implicaciones profundas para la salud de la cuenca y las personas que dependen de ella. Los bosques y los pastizales actúan como esponjas naturales, absorbiendo la lluvia y liberándola lentamente en los ríos, lo que ayuda a prevenir inundaciones durante las lluvias intensas y mantiene el flujo de agua durante las estaciones secas. A medida que estas áreas naturales son reemplazadas por superficies duras y agricultura intensiva, la tierra pierde esta capacidad de regular el agua. Esto puede provocar una escorrentía más rápida, un aumento de la erosión del suelo y un mayor riesgo tanto de inundaciones como de sequías. Además, el sedimento arrastrado por los campos erosionados puede obstruir los embalses que alimentan las centrales hidroeléctricas de la región, amenazando el suministro de electricidad a largo plazo. La pérdida de pastizales también amenaza el sustento de las comunidades pastoriles que dependen de las tierras de pastoreo abiertas para su ganado.

El estudio no afirma que estos resultados futuros sean inevitables, sino que son el resultado probable si los patrones actuales de desarrollo continúan sin control. Los investigadores enfatizan que estas simulaciones se basan en tendencias históricas y no tienen en cuenta posibles cambios en las políticas, nuevos esfuerzos de conservación o cambios en el comportamiento económico. Sin embargo, la claridad de los datos proporciona una advertencia poderosa. Sugiere que sin una intervención significativa para proteger los bosques restantes y gestionar la expansión agrícola de manera más sostenible, la cuenca podría enfrentar graves desafíos ambientales. Los hallazgos ofrecen una herramienta crítica para planificadores y responsables de políticas, proporcionando una base visual y cuantitativa clara para la toma de decisiones sobre el uso de la tierra. Al comprender exactamente cómo está cambiando el paisaje y hacia dónde se dirige, la región tiene la oportunidad de dirigir su desarrollo hacia un futuro que equilibre las necesidades humanas con la preservación de los sistemas naturales vitales que las sustentan.