Agreement between Sentinel-1 C-band backscatter change and Sentinel-2 burn severity indices across land-cover types in a low-biomass transitional eco-region

Los incendios forestales ya no son solo una amenaza estival confinada a los densos bosques de pinos. A medida que el clima se calienta, las temporadas de incendios se están extendiendo más y expandiéndose hacia nuevos territorios, incluyendo las llanuras onduladas y los matorrales del sur de Estados Unidos. En estos paisajes de transición, donde las gramíneas se mezclan con arbustos y árboles de roble dispersos, medir el daño después de un incendio es sorprendentemente difícil. Los métodos tradicionales dependen de satélites ópticos que toman fotografías de la tierra en luz visible e infrarroja. Estas imágenes funcionan bien en los bosques porque pueden ver la diferencia entre las hojas verdes y saludables y las negras y muertas. Sin embargo, en áreas abiertas de baja vegetación, el suelo mismo suele ser brillante y reflectante, y las gramíneas pueden crecer de nuevo tan rápido que el satélite vuelve a ver verde en cuestión de semanas, ocultando la verdadera extensión de la destrucción. Para resolver esto, los científicos están recurriendo a un tipo de ojo diferente: el radar. A diferencia de las cámaras que esperan la luz del sol, los satélites de radar envían sus propias señales de microondas que rebotan en el suelo y la vegetación, lo que les permite ver a través del humo y las nubes y detectar cambios en la estructura física de la tierra, incluso cuando las plantas aún están verdes.

En marzo de 2022, un complejo de incendios masivos recorrió el centro de Texas, quemando más de 62,000 acres de tierra que incluyeron cuatro incendios distintos: los incendios Kidd, Wheatfield, Ramsey y Oak Mott. Este evento proporcionó una oportunidad perfecta para probar si el radar podía ver lo que las cámaras ópticas pasaban por alto. Un investigador de la Universidad de Texas en Dallas se propuso comparar dos tipos de datos satelitales para este incendio específico: los mapas de quemado ópticos estándar y un nuevo análisis utilizando señales de radar. El objetivo era comprender qué tan bien podía el radar rastrear la pérdida de estructura y humedad de la vegetación en un paisaje dominado por arbustos y gramíneas, en lugar de árboles altos. El estudio se centró en una región donde la vegetación es corta y el suelo es a menudo visible, un entorno donde los mapas de daños por fuego tradicionales históricamente han tenido dificultades para ser precisos.

Los investigadores comenzaron mapeando el perímetro del incendio y luego analizaron los datos de dos sistemas satelitales diferentes. Un sistema, Sentinel-2, captura imágenes en longitudes de onda de luz que son sensibles a la salud de las plantas. El otro, Sentinel-1, utiliza radar para medir cuánta energía rebota desde la superficie. Cuando la vegetación se quema, pierde su estructura y su contenido de agua. En un bosque, esto usualmente significa que la señal de radar disminuye porque los árboles que dispersaban la señal han desaparecido. Pero en el matorral abierto de Texas, la historia es más compleja. El análisis reveló que la señal de radar se comportó de manera diferente dependiendo del tipo de planta. En áreas con arbustos leñosos más altos, la señal de radar disminuyó signific的に, indicando una pérdida de estructura. Sin embargo, en las áreas de pastizales, la señal a veces aumentó. Esto sucedió porque el fuego eliminó la hierba que amortiguaba las ondas de radar, exponiendo el suelo más rugoso y seco subyacente, que reflejó más energía de vuelta al satélite.

Cuando los investigadores compararon los cambios de radar con los mapas de quemado ópticos, encontraron una clara discrepancia en cómo los dos sensores veían el incendio. Los mapas ópticos, que dependen de la diferencia en la salud de las plantas antes y después del fuego, mostraron que gran parte del perímetro del incendio estaba o bien sin quemar o solo ligeramente quemado. En realidad, el fuego había saltado sobre muchas parcelas de tierra, dejando un patrón fragmentado de áreas quemadas y no quemadas. Los mapas ópticos tuvieron dificultades para distinguir entre las áreas que estaban verdaderamente dañadas y aquellas que solo se estaban recuperando rápidamente. Los datos de radar, sin embargo, proporcionaron una imagen más nítida de los cambios físicos. Mostraron que la señal de radar de polarización cruzada, que es particularmente sensible a la estructura tridimensional de las plantas, era un indicador mucho mejor de la pérdida de estructura que los mapas ópticos estándar. El radar pudo detectar la eliminación de los arbustos leñosos y el secado del suelo incluso cuando los sensores ópticos se confundían por el rápido regreso de la hierba verde.

Un hallazgo clave del estudio fue que la forma en que los científicos calculan la severidad del quemado importa inmensamente en estos paisajes de baja biomasa. El método estándar para los mapas ópticos a menudo ajusta la puntuación de severidad basándose en cuánta vegetación había antes del fuego. Los investigadores encontraron que este ajuste en realidad empeoraba los datos en los matorrales de Texas. Debido a que la vegetación previa al fuego ya era escasa, el ajuste amplificaba el ruido aleatorio en lugar de aclarar el daño. En su lugar, una medida más simple del cambio absoluto en los datos ópticos funcionó mejor cuando se combinó con el radar. El estudio confirmó que la señal de radar y la medida de cambio óptico simple estaban vinculadas, pero solo en áreas con suficiente estructura leñosa para dispersar las ondas de radar. En las praderas, la conexión era débil, lo que sugiere que, si bien el radar es poderoso, no puede reemplazar completamente a los datos ópticos en cada situación.

El estudio también analizó qué impulsaba la intensidad del fuego. Examinaron si la pendiente del terreno o el tipo de vegetación jugaban un papel mayor en qué tan severamente quemó el fuego. Los resultados most mostraron que la pendiente del terreno casi no tuvo efecto en la severidad del fuego. En cambio, el tipo de combustible fue el factor decisivo. Las áreas cubiertas de arbustos y plantas leñosas ardieron con una severidad significativamente mayor que las praderas abiertas. Esto respalda la idea de que la invasión de plantas leñosas como el mezquite y el enebro en las praderas está cambiando el régimen de incendios, haciendo que los fuegos sean más intensos y dañinos. Los datos de radar pudieron resaltar estas diferencias en la pérdida de estructura, mostrando que las áreas leñosas sufrieron un cambio más profundo que las áreas de pastizales.

Quizás el descubrimiento más práctico fue la capacidad del radar para crear un mapa de pérdida de humedad. Al combinar las señales de radar, los investigadores generaron un índice que mostraba dónde la tierra se había secado más después del incendio. Este mapa se alineaba bien con las áreas donde el fuego había quemado, incluso en lugares donde los mapas ópticos eran ambiguos. Esto es crucial porque el radar puede ver a través del humo y las nubes que a menudo bloquean los satélites ópticos inmediatamente después de un incendio. También ve el secado físico del suelo y las plantas antes de que la hierba verde tenga la oportunidad de crecer y ocultar el daño. Esto significa que los gestores de emergencias podrían usar el radar para obtener una imagen confiable del impacto del fuego y el déficit de agua resultante en el suelo mucho antes de que pudieran hacerlo con los métodos tradicionales.

Los investigadores señalaron que sus hallazgos son específicos para este tipo de entorno de baja biomasa y transición, y no deben asumirse como aplicables a bosques densos u otros ecosistemas sin pruebas adicionales. También señalaron que, aunque los datos de radar fueron prometedores, todavía necesitan ser validados con mediciones a nivel de suelo para crear una escala perfecta para medir la severidad del incendio. Por ahora, el estudio demuestra que combinar datos de radar y ópticos ofrece una visión más completa del daño por fuego en las Grandes Llanuras del Sur. Revela que en estos paisajes semiáridos, donde el suelo es visible y las plantas crecen rápido, la estructura física de la vegetación cuenta una historia diferente a la del color de las hojas. Al escuchar el eco del radar, los científicos finalmente pueden ver la verdadera forma de la cicatriz del incendio, incluso cuando la tierra parece verse verde de nuevo.