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Desarrollo de un sistema operativo para la validación estandarizada de productos globales de albedo derivados de satélite. Aplicación a SPOT/VGT, PROBA-V y Sentinel-3

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Desarrollo de un sistema operativo para la validación estandarizada de productos globales de albedo derivados de satélite. Aplicación a SPOT/VGT, PROBA-V y Sentinel-3

dc.contributor.advisor	Camacho de Coca, Fernando
dc.contributor.advisor	García Haro, Francisco Javier
dc.contributor.author	Sánchez Zapero, Jorge
dc.contributor.other	Departament de Física de la Terra i Termodinàmica	es_ES
dc.date.accessioned	2023-10-23T08:39:54Z
dc.date.available	2023-10-24T04:45:06Z
dc.date.issued	2023	es_ES
dc.date.submitted	20-10-2023	es_ES
dc.identifier.uri	https://hdl.handle.net/10550/90524
dc.description.abstract	El albedo de la superficie terrestre (SA) es una variable climática esencial (ECV), cobrando un papel relevante en el balance energético del planeta. Diferentes agencias espaciales y servicios de observación de la Tierra vienen desarrollando registros de datos climáticos (CDR) de productos de albedo a escala global, derivados con datos procedentes de sensores pasivos a bordo de satélites. Es, por ende, indispensable cuantificar de manera eficiente las incertidumbres asociadas a dichos productos de satélite, proceso que se conoce como validación. La validación también permite establecer en qué medida los productos satisfacen los requerimientos demandados por los usuarios. Por otra parte, la metodología de validación deber seguir unos protocolos y metodologías estandarizados, que ofrezcan a su vez trazabilidad y transparencia en dicho proceso. A nivel internacional, el subgrupo sobre validación de productos terrestres (LPV) del grupo de trabajo sobre calibración y validación (WGCV) del comité de satélites de observación de la Tierra (CEOS) se encarga de la coordinación de las actividades y estandarización de protocolos de validación. El CEOS/WGCV LPV establece, además, una jerarquía de cuatro niveles en función del estado de la validación de los productos dependiendo de varios aspectos como la representatividad global y temporal, el uso de protocolos estandarizados, la publicación de los resultados en revistas científicas (peer-reviewed) o la actualización de los resultados cuando la serie temporal se expande. El nivel más alto en la jerarquía (nivel 4) engloba todos estos aspectos. Todo ello motiva el objetivo principal de esta tesis, que no es otro que el diseño de un sistema operacional de validación estandarizada para llegar al nivel 4, que debe integrar las siguientes cuatro componentes: (1) registros de datos climáticos de albedo a largo plazo derivados con datos de satélite; (2) un conjunto fiable y representativo a nivel global de medidas in situ; (3) un protocolo de validación estandarizado que cuente con el acuerdo de la comunidad científica; y (4) una plataforma de validación online, de libre acceso, que genere resultados e informes de validación estandarizados y permita actualizar los resultados conforme la serie se expande. En el contexto de esta tesis se ha trabajado en cada una de estas componentes, llevando cada una al nivel requerido para formar parte del sistema. Respecto a la primera componente, se ha trabajado en la validación de los productos de albedo desarrollados en el servicio Europeo de observación de la Tierra, denominado Copernicus. Los desarrollos iniciales de los algoritmos de albedo se realizaron en el contexto de la componente global del servicio de monitorización de la superficie terrestre de Copernicus (CGLS), derivando posteriormente la producción de dichos productos al servicio de cambio climático (C3S) de Copernicus. C3S ha desarrollado la serie climática más extensa, cuya calidad e incertidumbre ha sido evaluada en esta tesis para diferentes versiones de algoritmos y sensores utilizados. Por otra parte, también se ha trabajado en el diseño del algoritmo que permite dar continuidad a la serie gracias al uso de los satélites Copernicus Sentinel-3, que ofrecen mejoras en cuanto a resolución espacial y espectral. Se han validado los productos Copernicus de albedo derivados con datos SPOT/VGT, PROBA-V y Sentintel-3/OLCI+SLSTR. • El punto de partida de esta tesis fue la validación del producto desarrollado en CGLS para la estimación del albedo a partir de datos del sensor Vegetation a bordo del minisatélite PROBA (PROBA-V) a 300 m de resolución espacial (Roujean et al., 2018). la validación de dichos productos se realizó sobre Europa, mostrando distribuciones espacial y temporalmente consistentes con los productos de NASA derivados con datos de MODIS a bordo de las plataformas Terra y Aqua (MCD43A3 C6). La validación directa sobre datos de 10 estaciones representativas mostró una incertidumbre (RMSD) de 0.03 con un sesgo medio (bias) de 0.01, mostrando discrepancias similares a las observadas en MCD43A3 C6 (RMSD=0.03, bias=0). Se demostró, por tanto, la viabilidad y utilidad del algoritmo. • En segundo lugar se realizó la validación del producto de albedo de PROBA-V versión 1 (C3S PROBA-V SA V1) que dio continuidad a la serie climática de albedo de C3S a 1 km de resolución espacial (Sánchez-Zapero et al., 2020). Por ello, dicho estudio se centró en la consistencia de los productos C3S en la transición de SPOT a PROBA, donde ambas plataformas incorporan sensores Vegetation equivalentes espectralmente (SPOT/VGT y PROBA-V). Se demostró una buena continuidad asociada al cambio de satélite (sesgo medio típicamente entre ±2%). La mayor limitación del producto de PROBA-V respecto al de SPOT/VGT fue su menor número de observaciones válidas. La comparación de C3S PROBA-V SA V1 con el producto MODIS de NASA (MCD43A3 C6) mostró también una buena consistencia, con diferencias sistemáticamente positivas de hasta el 12% (PROBA-V > MODIS). La comparación de PROBA-V con datos in situ (20 estaciones) mostró un sesgo positivo (11.5%), con una incertidumbre (RMSD ∼ 0.4) similar a la mostrada por MCD43A3 C6. • El tercer estudio (Sánchez-Zapero et al., 2023b) presenta la validación de 3 series climáticas con más de 20 años de datos usando la herramienta Surface Albedo Validation (SALVAL) desarrollada en esta tesis (componente 4 del sistema operacional). Las series climáticas investigadas fueron: la versión 2 del producto de albedo del servicio C3S denominada multi-sensor derivada a partir de datos SPOT/VGT y PROBA-V (C3S V2), el producto de NASA derivado con Terra+Aqua/MODIS (MODIS C6.1) y el producto de la Universidad de Beijing derivado también con datos MODIS (GLASS V4). Los resultados de validación demostraron que los tres productos de satélite investigados proporcionan series temporales consistentes y realistas a nivel global, mostrando ciertas discrepancias entre ellos principalmente atribuidas a los diferentes algoritmos utilizados y al tipo de sensor. • Finalmente se realizó el diseño y validación del algoritmo de albedo desarrollado para dar continuidad a la serie climática de C3S basada en SPOT/VGT y PROBA-V usando datos Copernicus Sentinel-3 a 300 m de resolución espacial (Sánchez-Zapero et al., 2023a). Dicho algoritmo realiza un uso sinérgico de datos de los sensores OCLI y SLSTR a bordo de los satélites Sentinel-3. La validación directa con datos de campo (32 estaciones) mostró resultados similares a los productos NASA MODIS (MCD43A3 C6) pero con un signo en la diferencias opuesto (ligeramente positivo en el caso de Sentinel-3), con una exactitud de 0.005 (3.7%), precisión de 0.016 (11.3%) e incertidumbre de 0.032 (22.7%). Los resultados de validación directa de Sentinel-3 mejoraron los obtenidos por su producto C3S predecesor basado en PROBA-V. C3S Sentinel-3 SA alcanzó un buen acuerdo espacial y temporal en comparación con otros productos de satélite operacionales derivados con MODIS (MCD43A3 C6) y PROBA-V (C3S PROBA-V SA V1). Se demostró, por tanto, la viabilidad del algoritmo propuesto para la continuidad del CDR del servicio C3S utilizando el uso de datos OLCI+SLSTR de Sentinel-3. La principal limitación del producto fue la subestimación del albedo en la nieve y la transición lenta entre valores bajos y altos en eventos de nieve. Dicha limitación proviene de los datos de entrada (reflectividad de la superficie) proporcionados en CGLS, que usa el clasificador IdePix de ESA, donde se confunden los valores de nieve con valores de nube, enmascarando y filtrando dichos valores. La segunda componente hace referencia a un conjunto fiable y representativo de medidas in situ a nivel global. Se ha generado una base de datos de medidas de campo de albedo denominada Representativeness-Evaluated Albedo Stations (REALS), integrando los datos procedentes de redes existentes de medidas tales como BSRN, FLUXNET, NEON, EFDC, ICOS o TERN. Se ha evaluado la representatividad espacial de la medida asociada a la estación con el objetivo de determinar si el valor medido por la torre (footprint) es representativo a la resolución espacial efectiva de los píxeles de satélite de interés (típicamente de 300 m a 1 km). La tercera componente implica el desarrollo de unos protocolos y metodologías estandarizados, bajo el consenso de la comunidad científica, que ofrezcan a su vez trazabilidad y transparencia en el proceso de validación. En el desarrollo de esta tesis se ha ido elaborando una metodología de validación en colaboración con el grupo de trabajo del CEOS/WGCV LPV por lo que dicha metodología no sólo es consistente con la buenas prácticas del CEOS/WGCV LPV sino que también ha contribuido a definir criterios y métricas del protocolo de validación del CEOS/WGCV LPV. Se presentan los dos métodos principales y sus particularidades: i) la validación directa, que hace referencia a la comparación de estimaciones de satélite con datos medidos procedentes de estaciones terrestres; y ii) la validación indirecta, también conocida como intercomparación de productos. Se ha definido además un muestreo de 720 localizaciones para la intercomparación de productos (LANDVAL), que ha sido definido sobre sitios homogéneos con el objetivo de ser representativo a nivel global en cuando a distribución continental y por tipo de bioma. Finalmente, se ha culminado la integración en un sistema operacional con el desarrollo de una plataforma de validación online (SALVAL) que genera resultados de validación estandarizados. La herramienta SALVAL está diseñada para permitir a los productos de albedo alcanzar el nivel máximo (4) en la jerarquía del CEOS/WGCV LPV, contando a su vez con una interfaz amigable para el usuario y permitiendo un ejercicio interactivo de validación que puede ser configurado conforme a los requerimientos definidos por el propio usuario. Como conclusión, se ha conseguido llevar cada una de las componentes de validación (series climáticas de albedo, base de datos de medidas in situ, metodología de validación y herramienta online) al nivel necesario para desarrollar un sistema operacional de validación estandarizada. Se han validado, además, los productos de albedo desarrollados en los servicios Copernicus CGLS y C3S con los sensores pasivos a bordo de los satélites SPOT, PROBA y Sentinel-3.	es_ES
dc.format.extent	237 p.	es_ES
dc.language.iso	es	es_ES
dc.subject	teledetección	es_ES
dc.subject	validación	es_ES
dc.subject	albedo	es_ES
dc.subject	satélite	es_ES
dc.subject	observación de la Tierra	es_ES
dc.subject	Copernicus	es_ES
dc.title	Desarrollo de un sistema operativo para la validación estandarizada de productos globales de albedo derivados de satélite. Aplicación a SPOT/VGT, PROBA-V y Sentinel-3	es_ES
dc.type	doctoral thesis	es_ES
dc.subject.unesco	UNESCO::CIENCIAS DE LA TIERRA Y DEL ESPACIO::Ciencias del espacio	es_ES
dc.embargo.terms	0 days	es_ES
dc.rights.accessRights	open access	es_ES