Aplicación de Google Earth Engine para la detección de cambios urbanos

en la ciudad de Zaragoza antes de la Exposición Internacional de 2008

Autor

Manuel Pizarro Gavilán. Licenciado en Biología y Máster en Tecnologías de la Información Geográfica.

Script

Enlace a GEE: https://code.earthengine.google.com/8653b079bf3f6e122a0c524d6c2615de

Introducción

Durante la década previa a la Exposición Internacional de 2008 - Agua y desarrollo sostenible, Zaragoza experimentó una transformación urbana significativa que modernizó la ciudad y mejoró su infraestructura (Zaragoza 2004-2008). Este proceso de renovación incluyó la construcción de importantes proyectos como el nuevo recinto ferial, el Palacio de Congresos, y el Pabellón Puente. Además, se desarrolló la estación intermodal Zaragoza-Delicias, que integró servicios de trenes de alta velocidad (AVE) y autobuses, y se ejecutaron proyectos de revitalización en la ribera del río Ebro, con la creación de zonas verdes y paseos fluviales (Castet, 2008).

En cifras, se construyeron más de 1.500.000 metros cuadrados de nuevos espacios urbanos, y se edificaron cerca de 4.000 viviendas para acomodar el crecimiento demográfico y las necesidades derivadas del evento (Monclús, 2008). Estas transformaciones no solo mejoraron la conectividad y la infraestructura de la ciudad, sino que también posicionaron a Zaragoza como una ciudad moderna y preparada para afrontar retos internacionales. 

En este curso de GEE con JavaScript se pide realizar un análisis de detección de cambios para zonas urbanísticas, por lo que hemos elegido la ciudad de Zaragoza como marco de estudio para nuestro proyecto.

Antecedentes

Durante el siglo XX, Zaragoza experimentó un notable desarrollo urbano impulsado por varios factores clave, incluyendo el crecimiento poblacional y la modernización de sus infraestructuras. A comienzos de siglo, la población de Zaragoza rondaba los 100,000 habitantes, pero hacia finales del siglo XX, esta cifra había aumentado a más de 600,000, lo que motivó una expansión significativa en su tejido urbano (Montón, 2004).

La Exposición Hispano-francesa de 1908 fue un evento determinante que aceleró la construcción de infraestructuras clave, como el Puente de Hierro y la Gran Vía, y marcó el inicio de un período de intensa urbanización. Posteriormente, el Plan General de Ordenación Urbana de 1957 y sus revisiones jugaron un papel crucial en la planificación y regulación del crecimiento de la ciudad, permitiendo la creación de nuevos barrios y la mejora de las conexiones viarias, con un incremento significativo en el número de edificios residenciales y comerciales (López, 1999).

Entre las principales infraestructuras construidas a lo largo del siglo destacan la Estación Intermodal de Delicias y el tercer cinturón, que mejoraron significativamente la movilidad urbana. Estos desarrollos, en combinación con la modernización de servicios públicos, reflejan el esfuerzo de Zaragoza por adaptarse a las necesidades de una población en constante crecimiento y al cambio de siglo (Rico, 2008).

Área de estudio

Zaragoza, capital de la comunidad autónoma de Aragón, se ubica en el noreste de España, a orillas del río Ebro, en una posición estratégica entre Madrid y Barcelona. Su localización geográfica le ha conferido históricamente una gran importancia como nodo de comunicación y comercio. El clima de Zaragoza es semiárido, caracterizado por veranos calurosos e inviernos fríos, con precipitaciones escasas, lo que influye en su paisaje predominantemente llano y árido, contrastado por la vegetación que crece a lo largo del río (Smith, 2003).

La ciudad es conocida por su rico patrimonio histórico y cultural, destacando monumentos como la Basílica del Pilar, la Catedral del Salvador (La Seo) y el Palacio de la Aljafería. Estos sitios reflejan la larga historia de la ciudad, que se remonta a la época romana, cuando fue fundada como Caesaraugusta. A lo largo de los siglos, Zaragoza ha sido testigo de importantes eventos históricos, como los Sitios de Zaragoza durante la Guerra de Independencia, lo que refuerza su relevancia en la historia de España (Lapeña, 2010).

Objetivo General

Aplicar los procedimientos y herramientas de la plataforma Google Earth Engine para detectar cambios en la ciudad de Zaragoza durante el periodo 2004-2008, previo a la celebración de la Expo Internacional de 2008.

Objetivos Específicos

• Utilizar el Índice de Diferencia Normalizada Edificada (NDBI) para llevar a cabo la estimación de zonas con superficies edificadas o en desarrollo de construcción frente a las habituales zonas naturalizadas con vegetación o desnudas.
• Realizar una máscara de áreas de cambio y calcular el área de cambio con respecto a tres fechas diferentes con un intervalo de 2 años, y desarrollar un análisis comparativo de cambio entre las fechas elegidas

Procedimiento

A continuación, se muestran los pasos realizados en la plataforma de Google Earth Engine (GEE) para ejecutar el análisis de cambios en la ciudad de Zaragoza mediante una serie temporal de imágenes Landsat:

• Definición de la zona de interés de la ciudad de Zaragoza mediante un Asset en GEE
• Creación de una función para mascara de nubes, cirros, sombras, agua y nieve para la colección de imágenes
• Creación de una función para aplicar factores de escalado en las imágenes Landsat
• Creación de una función para el cálculo del índice NDBI en la colección de imágenes
• Aplicación de un filtrado de las imágenes de la Colección 2 para Landsat 5 por región y nubosidad
• Creación de compuestos de imágenes del índice NDBI para los años 2004, 2006 y 2008
• Visualización de los compuestos de imágenes del índice NDBI
• Creación de los sitios de cambio y no cambio mediante un Asset en GEE
• Entrenamiento de los datos mediante Random Forest para los años 2004 y 2006
• Entrenamiento del clasificador Random Forest para los años 2004 y 2006
• Clasificación de las imágenes del índice NDBI para los años 2004 y 2006
• Exportación de los resultados de la clasificación a Google Drive
• Cálculo de áreas para los cambios detectados entre 2004 y 2006 en Km2

Índice NDBI

El NDBI o Índice de Diferencia Normalizada Edificada permite llevar a cabo la estimación de zonas con superficies edificadas o en desarrollo de construcción frente a las habituales zonas naturalizadas con vegetación o desnudas. 

El cálculo del índice NDBI requiere de las bandas de análisis del infrarrojo a través de las bandas SWIR1 y NIR (5 y 4, para Landsat 5). Podremos obtener el indicador con la sencilla relación (Rouse et al, 1974):

NDBI = (SWIR1-NIR) / (SWIR1+NIR)

Al igual que para otros índices análogos (como NDVI o NDWI), el rango de valores oscila entre -1 y 1, donde aquellos valores de tendencia negativa elevada indican presencia de zonas con vegetación y valores de tendencia positivos elevados indican zonas territoriales con cubiertas de suelo edificadas o infraestructuras antrópicas, mientras que valores intermedios determinan zonas desnudas, cultivos en crecimiento o zonas en fase de construcción.

Clasificación supervisada 

La librería ee.Classifier se encarga de la clasificación supervisada mediante algoritmos de aprendizaje automático tradicionales que se ejecutan en Earth Engine. Estos clasificadores incluyen CART, RandomForest, NaiveBayes y SVM. En nuestro proyecto hemos elegido el clasificador Random Forest.

El flujo de trabajo general para la clasificación ha sido el siguiente:

• Recopilación de datos de entrenamiento. 
• Creación de una instancia de un clasificador y configuración de parámetros.
• Entrenamiento del clasificador utilizando los datos de entrenamiento.
• Clasificación de una imagen.

Para poder ejecutar el clasificador, se usaron datos de entrenamiento provenientes de la generación de 1000 sitios al azar para cada periodo en una capa de edificios de la ciudad de Zaragoza reclasificados por periodos en el software ArcGIS e importados posteriormente a la plataforma GEE.

Resultados

El análisis de cambios mediante el índice NDBI y la posterior clasificación supervisada con Random Forest, revela que la mayoría de los cambios observados entre 2004 y 2008 en la ciudad de Zaragoza se localizan en áreas periféricas del núcleo central de población y en las zonas que han sufrido un desarrollo urbano para ubicar las instalaciones de la Exposición Internacional celebrada en 2008.  También se observan zonas de gran crecimiento urbano como las urbanizaciones de “Valdespartera” y “Arco-Sur” situadas en la zona suroeste de Zaragoza; y los barrios periféricos de “Santa Isabel” y “Montañana”.

Entre los años 2004 y 2006, los cambios detectados suponen un 29,5% (21 km2) de la superficie de la ciudad, mientras que en el periodo comprendido entre 2006 y 2008 los cambios suponen un 33,8% (24 km2) del total de la superficie del núcleo poblacional. Estos datos evidencian cambios notables en el desarrollo urbano de la ciudad antes de la inauguración del evento internacional desarrollado en Zaragoza en los meses estivales de 2008.

Sin embargo, hay que tener cierta precaución con estos datos porque se han usado puntos de entrenamiento sólo para dos clases (0 = no cambios / 1 = cambios) que se han generado solo en las cubiertas correspondientes a los edificios. Sería recomendable crear un mapa de clasificación con un conjunto de cubiertas más adecuadas a las que encontramos en los entornos urbanos (incluyendo zonas de vegetación, zonas de cultivos, zonas de agua, etc.). También sería deseable realizar una validación de la clasificación con otro conjunto de datos independiente del set de entrenamiento.

Entre los años 2004 y 2006, los cambios detectados suponen un 29,5% (21 km2) de la superficie de la ciudad, mientras que en el periodo comprendido entre 2006 y 2008 los cambios suponen un 33,8% (24 km2) del total de la superficie del núcleo poblacional. Estos datos evidencian cambios notables en el desarrollo urbano de la ciudad antes de la inauguración del evento internacional desarrollado en Zaragoza en los meses estivales de 2008.

Sin embargo, hay que tener cierta precaución con estos datos porque se han usado puntos de entrenamiento sólo para dos clases (0 = no cambios / 1 = cambios) que se han generado solo en las cubiertas correspondientes a los edificios. Sería recomendable crear un mapa de clasificación con un conjunto de cubiertas más adecuadas a las que encontramos en los entornos urbanos (incluyendo zonas de vegetación, zonas de cultivos, zonas de agua, etc.). También sería deseable realizar una validación de la clasificación con otro conjunto de datos independiente del set de entrenamiento.

Conclusiones

Google Earth Engine (GEE) es una poderosa plataforma utilizada en estudios de desarrollo urbano y evolución de las ciudades, permitiendo el análisis a gran escala de imágenes satelitales y datos geoespaciales. Su principal ventaja radica en su capacidad para procesar grandes volúmenes de datos de forma eficiente y rápida, lo que facilita la detección de cambios en el uso del suelo, el crecimiento urbano y la expansión de infraestructuras en períodos prolongados (Gorelick et al 2017).

Su aplicación para analizar la evolución urbana en la ciudad de Zaragoza mediante el uso del Índice de Diferencia Normalizada Edificada (NDBI) en una serie temporal de imágenes Landsat, ha sido muy satisfactoria, ya que nos ha permitido calcular las áreas de cambio en varios periodos diferentes antes de la celebración de la Expo Internacional de 2008.

Sin embargo, GEE también presenta algunas limitaciones. La principal es su dependencia de la calidad y disponibilidad de datos satelitales, que pueden variar en resolución y cobertura temporal. En nuestro caso de estudio, no hubo demasiados problemas para obtener imágenes de calidad de alta resolución, sin embargo, hay que ser cautos a la hora de calcular el índice NDBI en diferentes fechas porque influye en el resultado de los cambios detectados en las imágenes.

Otro factor limitante, ha sido el uso de sitios de entrenamiento del algoritmo de clasificación a partir de información derivada del Catastro de España y del año de construcción de los edificios. Un conjunto de datos de entrenamiento más preciso podría mejorar los resultados.

A pesar de estas limitaciones, GEE sigue siendo una herramienta valiosa para el estudio del desarrollo urbano, proporcionando una visión integral y dinámica de la evolución de las ciudades (Tamiminia et al, 2020).

Referencias

Castet, J. B. (2008). Francisco Javier Monclús Fraga, Exposiciones internacionales y urbanismo, El proyecto Expo Zaragoza 2008. (2006), éditions UPC (Universitat Politécnica de Cataluña), 214 p. Méditerranée. Revue géographique des pays méditerranéens/Journal of Mediterranean geography, (111), 135.

Gorelick, N., Hancher, M., Dixon, M., Ilyushchenko, S., Thau, D., & Moore, R. (2017). Google Earth Engine: Planetary-scale geospatial analysis for everyone. Remote Sensing of Environment, 202, 18-27.

Lapeña, J. (2010). Zaragoza y su historia: De Caesaraugusta a la modernidad. Zaragoza: Ediciones Ibercaja.

López, M. (1999). La expansión urbana de Zaragoza en el siglo XX. Zaragoza: Prensas Universitarias de Zaragoza.

Monclús, J. (2008). El urbanismo de la Expo, Zaragoza 2008. Urban, (13), 173-174.

Montón, C. (2004). Historia de Zaragoza: De la Revolución Industrial a la globalización. Zaragoza: Mira Editores.

Zaragoza 2004-2008: La construcción de una nueva ciudad: Ayuntamiento de Zaragoza. (2008). 

Rico, J. (2008). Zaragoza: Transformaciones urbanas del siglo XX. Zaragoza: Ayuntamiento de Zaragoza.

Rouse, J. W., Haas, R. H., Schell, J. A., & Deering, D. W. (1974). Monitoring vegetation systems in the Great Plains with ERTS. NASA Spec. Publ, 351(1), 309.

Smith, R. (2003). Geografía de Aragón. Zaragoza: Prensas Universitarias de Zaragoza.

Tamiminia, H., Salehi, B., Mahdavi, S., Quackenbush, L. J., & Brisco, B. (2020). Google Earth Engine for geo-big data applications: A meta-analysis and systematic review. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 164, 152-170.

Datos Auxiliares

https://www.idee.es/csw-inspire-idee/srv/spa/catalog.search?#/metadata/spaign_IGR_Poblaciones

https://ccalvosa.github.io/Zaragoza.html

https://www.catastro.minhap.es/webinspire/index.html

http://www.catastro.hacienda.gob.es/INSPIRE/Buildings/50/50900-ZARAGOZA/A.ES.SDGC.BU.50900.zip

Anexo Cartográfico