Informe de actividades de Conrado en el CEAM

La labor fundamental de este empleado ha consistido desde el principio en todo aquello que estuviera relacionado con la adquisición y tratamiento numérico de datos e imágenes provenientes de satélites meteorológicos. Ésta es por tanto la tarea de mayor peso científico que ha desarrollado en la Fundación CEAM, si bien en todo momento ha estado efectuando otras labores complementarias a la investigación de su grupo de trabajo y de otros grupos de la misma Fundación. Aunque esta vertiente de su trabajo ha sido igualmente intensa, no constituye en sí misma una línea de actuaciones encaminadas a un fin último, como en cambio sí sucede con todo lo concerniente a satélites meteorológicos, por lo que este informe hará hincapié en las tareas referentes a satélites.

Hay que resaltar que es imposible escribir un informe coherente a base de señalar cronológicamente las actividades desarrolladas. Es por ello, que éstas se dividen en tres grupos temáticos, y dentro de cada uno se sigue un orden lógico de actuación sin seguir perfectamente el orden cronológico. Todo esto es debido a la las características "multitarea" de la investigación desarrollada y de este investigador.

La primera actividad consistió en sacar todo el provecho posible de la estación de recepción de imágenes analógicas transmitidas en tiempo real por los satélites de las series NOAA y Meteosat. Esta estación se componía básicamente de una antena parabólica direccional y otra omnidireccional de dipolos cruzados con reflectores que transmitían los datos a un PC en el que corría un software creado por la misma casa fabricante de las antenas. Este software permitía la adquisición, visualización, archivo, tratamiento visual y tratamiento numérico básico de las imágenes. Sin embargo, no permitía llevar a cabo tratamientos numéricos que incluyeran calibrado, correcciones geométricas y correcciones atmosféricas de las imágenes recibidas y archivadas.

El interés por efectuar tratamientos numéricos en las imágenes analógicas transmitidas por los satélites NOAA (formato APT -Automatic Picture Transmission-) fue debido al hecho de que de esta forma se podrían obtener mapas de temperatura del Mar Mediterráneo en tiempo real, a escala sinóptica, y con una enorme densidad de datos: un valor de temperatura por cada cuadrado de 4 km de lado. Estos mapas serían de vital importancia para corroborar la hipótesis lanzada desde la Fundación CEAM para explicar el fenómeno meteorológico adverso que constituyen las precipitaciones torrenciales en el Levante español (Millán y Estrela, 1992).

De esta forma, desde el primer día (Julio de 1993) empezó a investigar con tal de obtener una metodología que permitiera obtener mapas de temperatura superficial del mar (SST, en inglés) a partir de las imágenes NOAA. Para ello se revisó la información bibliográfica pertinente, y en especial los manuales de la propia NOAA que informaban de las características técnicas de los satélites, del formato de las imágenes transmitidas, y de los procedimientos básicos de tratamiento. En un principio la Fundación CEAM tenía un programa de ordenador desarrollado por la Universidad de Valencia para efectuar la calibración de las NOAA APT. Sin embargo, un análisis detallado que hizo este investigador sobre los fuentes de este programa permitió advertir que funcionaba incorrectamente al sobrevalorar en aproximadamente 2,5 ºC la temperatura radiométrica. Igualmente, se advirtió que sólo efectuaba la calibración de las imágenes térmicas aunque el programa indicara que calculaba la SST. A la luz de estos hechos, la primera tarea de este investigador consistió en arreglar el programa. A este respecto hay un informe detallado (se adjunta fotocopia del mismo -"Informe acerca del programa TAPT.BAS (ver 1.1) ..."- al final) que se redactó (puntos 1-14) en su momento cuando se tuvo que justificar la insatisfacción producida en la Fundación CEAM con el equipo de la Universidad de Valencia contratado inicialmente para llevar a cabo esta tarea.

Como consecuencia de todo ello, la responsabilidad de las tareas del tratamiento de las imágenes APT, que desde Julio estuvo compartida entre este investigador y el equipo contratado en la Universidad de Valencia, fue transferida por completo a aquél. De esta forma, una vez solucionado el problema de la correcta calibración de las imágenes APT, empezó a trabajar de forma intensiva en el resto de procedimientos: el análisis efectuado a las imágenes, su forma de transmisión y los datos transmitidos indicaban que era imprescindible también efectuar una corrección fina a la calibración debida a las características de no absoluta linealidad de los sensores térmicos a bordo de los NOAA, y también la corrección atmosférica y de emisividad de los datos de radiancia medidos por estos satélites (punto 15 del informe anexo). Igualmente se hacía bastante aconsejable efectuar tareas tales como la corrección geométrica de las imágenes recibidas para que fueran fácilmente superponibles a mapas meteorológicos.

Todo este trabajo se desarrolló durante los siguientes meses y estaba finalizado en Mayo de 1994. Durante este tiempo, el trabajo no se limitó a un plano teórico, sino que fueron tratadas a modo de entrenamiento imágenes APT capturadas en el CEAM correspondientes al periodo Octubre-Noviembre de 1993 debido a la idoneidad de estas imágenes para empezar a estudiar el papel de la SST en situaciones de lluvias torrenciales. Ante la perspectiva de escribir un amplio informe detallando todos los procedimientos, metodologías y análisis científicos utilizados en esta tarea, se decidió que este investigador escribiera un trabajo de investigación (equivalente a tesina de licenciatura) al efecto de que además de ser un informe de la Fundación CEAM, tuviera el reconocimiento de la comunidad científica especializada. Este trabajo de investigación se defendió en Septiembre de 1994, con la calificación de Sobresaliente. En esta "tesina" se detallan todos estos procedimientos así como otros adicionales para comprobar la aplicabilidad de la metodología desarrollada, por lo que no se mencionarán en este informe más que de pasada, y únicamente resaltando aquellos aspectos que posteriormente serían objeto de mejora. (Cabe la pena destacar que esta "tesina" tenía que defenderse ante parte del equipo de la Universidad de Valencia que fue despedido cuando quedó probada su ineficacia, por lo que no sólo no se mencionó la ineptitud de este equipo sino que incluso se llega a afirmar en la misma que en el cálculo se usan resultados obtenidos por éste.)

En primer lugar, la calibración se efectuaba a partir del procedimiento sugerido en la sección "calibración de imágenes APT" de un memorándum técnico de la organización NOAA. Este procedimiento incluía la lectura de cuatro gráficas, lo cual no puede implementarse en un programa de ordenador, por lo que se decidió obtener de forma aproximada las ecuaciones que seguían las líneas en esas gráficas para utilización en el programa. Asimismo, se utilizaban valores de radiancia del espacio y temperatura del espacio específicas para las imágenes APT. La corrección atmosférica se efectuaba a partir de radiosondeos en diferentes puntos de las costas del Mediterráneo cuyos datos no podían obtenerse en tiempo real con el equipamiento del CEAM. La equivalencia entre radiancia de cuerpo negro y temperatura radiativa se efectuaba a través de una función de tipo potencial, con el fin de utilizar resultados de probada valía de este investigador (Badenas y Caselles, 1992a, 1992b), en vez de usar una función más exacta aunque mucho más difícil de implementar en la práctica. Además, en todo el proceso de calibrado se utilizaba una variable fundamental, el nivel de gris, propio de las imágenes APT que no parecía tener un claro significado físico, lo cual no dejaba de ser incómodo.

Posteriormente, este investigador continuó trabajando para mejorar la aplicabilidad de los métodos presentados. Los mayores esfuerzos se centraron en obtener un método operativo de corrección atmosférica y de emisividad en tiempo real sin perder la precisión y exactitud conseguidas con el método de los radiosondeos. De esta forma, en Febrero de 1995 ya se disponía de la ecuación monocanal simple de corrección y se había demostrado su buen comportamiento en la base de imágenes del CEAM correspondiente a episodios de lluvias torrenciales que ya se había empezado a generar. Otras mejoras consistieron en diversos puntos que quedaron en el aire durante la elaboración de la tesina: la detección de píxeles nubosos y la estimación de la SST en estos píxeles cubiertos parcial o totalmente por nubes. También se mejoró la técnica de corrección geométrica, que usaba un algoritmo de deformación por polinomios de segundo grado, para empezar a utilizar las ecuaciones de la órbita y las características geométricas del sistema de barrido de los sensores. Además, se implementó la equivalencia entre temperatura radiativa y la radiancia de cuerpo negro como una tabla entre 200 K y 350 K a intervalos de 0,1 K, la cual tenía la suficiente extensión y precisión para usarse operativamente en todo el tratamiento. Todas estas mejoras (salvo la de la ecuación monocanal simple) van a ser comunes al tratamiento de imágenes NOAA digitales, y constituyen un proceso de unificación de criterios en ambos tratamientos. De esta forma, en Septiembre de 1995 este investigador presenta en la VI Reunión Científica de la Asociación Española de Teledetección una comunicación oral para dar a conocer a la comunidad científica el estado de progreso en el tratamiento práctico de las imágenes NOAA analógicas (Badenas et al., 1995; 1997c).

La inesperada buena aceptación que tuvo esta comunicación oral fue determinante para decidir escribir una serie de artículos científicos en revistas internacionales especializadas en teledetección, pues parecía que la comunidad científica podría estar interesada en ello. De esta forma, en Marzo de 1996 este investigador terminó de escribir dos artículos (aceptados tras revisión en Septiembre de 1996), uno correspondiente al tratamiento de imágenes NOAA digitales (Badenas et al., 1997a), y otro al de las NOAA analógicas (Badenas et al., 1997b). En este último se detallaban las mejoras que se habían ido introduciendo durante los anteriores años, y a su vez fueron revisadas y mejoradas de nuevo para hacerlas todavía más eficientes en cuanto a facilidad de uso, tiempo de procesado, y rigor científico. Este último punto se centró en demostrar matemáticamente la idoneidad del procedimiento de estimación de la SST en puntos clasificados como parcial o totalmente nubosos.

Tras la publicación de los últimos resultados referentes a imágenes NOAA analógicas (Badenas et al., 1997b), no se ha investigado más en esta misma línea debido a que en Junio de 1996 la Fundación CEAM adquirió un equipo de recepción de imágenes NOAA digitales, y por tanto el seguimiento en directo de la SST se dejó de hacer con transmisiones APT para empezar con la transmisión digital.

Mucho antes de adquirir el equipo de recepción NOAA digital este investigador empezó a trabajar en el tratamiento de imágenes NOAA digitales compradas a otros organismos y correspondientes a situaciones de lluvias torrenciales en el Levante español. En Julio de 1993 se compraron dos escenas NOAA al CMS de Lannion de finales de Diciembre de 1992. Estas escenas se encontraban en formato Master+, por lo que tanto los canales térmicos (2) como los de reflectividad (3) ya venían calibrados. Asimismo, se incluía un sexto canal, correspondiente a una imagen de información nubosa, y una rejilla de puntos distribuidos regularmente por la escena con información geográfica (latitud y longitud) y astronómica (cenit y acimut de sol) y de observación (cenit y acimut del satélite). De esta forma, la calibración y la detección de nubes ya estaban hechas. La rejilla de puntos se utilizó para hacer la corrección geométrica mediante interpolación bilineal en la misma. Se desarrolló un incipiente método de estimación de la SST donde en píxeles nubosos basado en interpolación con los vecinos más próximos. El resultado de este trabajo se utilizó en Millán et al. (1995), y se mejoró en Badenas (1994) cambiando el algoritmo de corrección atmosférica por otro más exacto para grandes ángulos cenitales de observación. En concreto, la corrección atmosférica y de emisividad se efectuó en Badenas (1994) mediante la superposición de dos ecuaciones split-window: una para ángulos cenitales de observación menores de 40º y otra para el resto.

Tras la defensa de la "tesina" en Septiembre de 1994 se adquirieron dos escenas correspondientes a los episodios de lluvias torrenciales de Agosto-Septiembre de 1989 y Septiembre-Octubre de 1990. La información en la cinta se encontraba en formato Sharp, por lo que los datos correspondían a cuentas digitales del satélite y no a parámetros físicos. Tampoco incluían información de cobertura nubosa, aunque sí una rejilla de puntos con datos geográficos parecida a la del formato Master+. De esta forma, se tuvieron que calibrar las imágenes en todos los canales, y detectar la presencia de píxeles parcial o totalmente cubiertos por nubes. También se desarrolló una nueva ecuación split-window que tuviera en cuenta las características de la superficie del mar (reflectividad cuasi-especular y emisividad con grandes variaciones para ángulos cenitales grandes), del tipo de observación efectuada (grandes ángulos cenitales ocupando la mayor parte de la extensión de una escena), y de la variabilidad de atmósferas posibles (desde muy secas tras las lluvias a muy húmedas antes de las mismas). El tema de la corrección geométrica fue ampliamente mejorado con la incorporación de un modelo orbital simple con dos parámetros libres que se ajustaban con un mínimo de un punto de control sobre la imagen, con lo que se prescindía de la rejilla proporcionada con la cinta de escenas y se mejoraba tanto la precisión como la exactitud de la corrección geométrica de toda la escena (incluso a ángulos cenitales grandes). La metodología necesaria para llevar a cabo todas estas tareas fue desarrollada por este investigador en los meses siguientes a Septiembre de 1994 y estaba finalizada en Febrero de 1995. A grandes rasgos, el conjunto de procedimientos no se diferencian substancialmente de los publicados en Badenas et al. (1997a), y por tanto en este informe no es necesario ampliar la explicación de los mismos.

La aplicación práctica de las investigaciones desarrolladas permitió terminar de completar la primera fase de la base de datos de imágenes de SST correspondientes a episodios de precipitaciones torrenciales en el Levante español, con la cual se comprobó que la hipótesis meteorológica de trabajo estaba dando buenos resultados. De esta forma, con la experiencia ganada en cerca de dos años de investigación, se presentaron en un congreso internacional parte de los resultados obtenidos en los tres episodios estudiados (Estrela et al., 1995).

Anteriormente, en Enero de 1995 el CEAM obtuvo un proyecto de investigación ("Sistema de Predicción de Riesgos Meteorológicos", FOSMERIS) de la Consellería de Educación y Ciencia de la Generalitat Valenciana por un periodo de tres años. Para este proyecto, entre otras tareas, se había de completar la base de datos de imágenes de SST correspondientes a situaciones históricas y contemporáneas de precipitaciones torrenciales en la Comunidad Valenciana. Las situaciones históricas se estudiaron comprando cintas con las escenas correspondientes. El proveedor más barato fue la Universidad de Dundee, que tenía escenas NOAA digitales en formato HRPT. Este formato coincide exactamente (bit a bit) con la transmisión digital en directo de los satélites NOAA a las estaciones receptoras digitales. Se decidió adquirir tres escenas de prueba (episodio de lluvias de Enero-Febrero de 1993) para comprobar qué se podía obtener en la práctica del procesamiento del formato HRPT. Para ello este investigador tuvo que volver a escribir y revisar buena parte del software que se había desarrollado en los años anteriores para las imágenes Master+ y Sharp. Esta tarea de numerosos meses fue recompensada con los resultados que se obtuvieron: un total y absoluto control de los datos primarios sin intermediarios que los filtrasen, un mayor control durante la calibración de las imágenes de canales térmicos, y sobre todo el hecho de haber desarrollado los tratamientos del formato HRPT nativo. Este último punto es importante por el hecho de que en Junio de 1995 la Fundación CEAM había hecho una petición de ampliación de infraestructura a la CICyT (Comisión Interministerial de Ciencia y Tecnología) dentro del programa de Medio Ambiente. Si adjudicaban el proyecto, el CEAM compraría una estación receptora NOAA digital, por lo que este investigador se estuvo preparando a conciencia con las escenas de Dundee para procesar las imágenes digitales que captara esta futura estación.

Mientras tanto, y a raíz de los excelentes resultados de las comunicaciones en los congresos de Valladolid y Toulouse de Septiembre de 1995 (Badenas et al., 1995; 1997c; Estrela et al., 1995), este investigador empezó a trabajar en la redacción de una serie de artículos acerca de los procesos para obtener mapas de la SST en tiempo real. El correspondiente a imágenes digitales (Badenas et al., 1997) contenía los procedimientos y técnicas en los que había estado investigando hasta Febrero de 1995 con ligeros cambios que no afectaban al producto final sino a numerosas comprobaciones para asegurarse que en cada momento no se introducían errores en el proceso global. Básicamente éstos consistían en un mayor control de las fuentes de error durante el calibrado, una mejor observancia de la variación de la temperatura del cuerpo negro interno de calibrado de los satélites, un entorno más amigable durante la corrección geométrica, una mejora en la automatización de la detección de nubes, un mayor rigor en las causas de la elección de la forma de la ecuación split-window, y en una comparación entre la ecuación split-window desarrollada y otras ecuaciones en la literatura científica en la que se demostraba que la implementada era apreciablemente mejor (mayor exactitud y precisión) que las demás. El artículo se terminó de escribir en Marzo de 1996 incluyendo todas estas mejoras, y posteriormente fue aceptado tras cambios mínimos (estéticos) en Septiembre de 1996.

Mientras tanto, después de las tres primeras escenas de Dundee se compraron de forma escalonada un total de 38 escenas más durante los primeros meses de 1996, cubriendo todos los episodios de lluvias torrenciales desde Octubre de 1982 (límite impuesto por la falta de imágenes de satélites NOAA en las que poder usar la técnica del split-window) hasta Agosto de 1996. La sistemática de compras puede examinarse en un anexo a este informe. De esta forma, en Abril de 1996 se empezó el tratamiento de la batería de escenas. Se consiguió terminar de forma definitiva en Noviembre de 1997 (con un mes de adelanto sobre el límite máximo, incluso teniendo que repetir totalmente el procesado de 12 escenas por un fallo de almacenamiento informático).

La financiación para la estación receptora de imágenes NOAA digitales que se había solicitado fue concedida, ésta se compró, y finalmente se instaló en el CEAM en Junio de 1996 y empezó a estar plenamente operativa en Agosto de 1996. Durante los siguientes meses este investigador se encargó de su correcto funcionamiento, de la adquisición rutinaria de imágenes, y del tratamiento de las más significativas. De esta forma se obtuvieron en directo las imágenes correspondientes al episodio de lluvias de Septiembre de 1996, pudo predecirse satisfactoriamente la aparición de precipitaciones torrenciales, y posteriormente confirmar la hipótesis de trabajo en estos eventos. Por su importancia en un caso real de aplicación de toda la metodología desarrollada se decidió dar a conocer a la comunidad científica estos resultados en el VII Congreso Nacional de Teledetección en Junio de 1997 (Badenas et al., 1997d).

En este mismo congreso se dieron a conocer las nuevas líneas de trabajo de este investigador para mejorar el proceso de las imágenes. En primer lugar una mejora en el tema de la corrección geométrica para adaptar el procedimiento ya en marcha al caso de tener desviaciones de la superficie del elipsoide de referencia (Artigao et al., 1997). Aunque cuantitativamente la mejora es mínima, ésta es importante en tanto en cuanto permite observar la sensibilidad del método de corrección geométrica a datos externos. Más significativo fue la revisión teórica, el desarrollo matemático, y la comprobación cuantitativa del método de split-window en forma de dos nuevas ecuaciones sin el lastre que arrastraban los modelos anteriores (Badenas, 1997b). La investigación sobre este tema se inició en Mayo de 1996, escribiéndose un amplio artículo (Enero de 1997) para una revista internacional de teledetección. En estos momentos se encuentra en fase de revisión y ampliación desde Agosto de 1997 a instancias de los referees de la revista. Aunque no es ético señalar las investigaciones no publicadas, habría que resaltar que al haber empezado a estudiar en serio (sin usar resultados y métodos discutibles de la literatura científica) el comportamiento de la radiación a través de la atmósfera en circunstancias cambiantes extremas, por fin se están empezando a encontrar resultados claros, con significado físico, e incluso con cierta lógica, en la determinación de la SST y de la cantidad de vapor de agua atmosférico a partir de los datos de los canales térmicos del split-window (Badenas, 1998b). Este investigador no ha incluido las nuevas ecuaciones split-window en el procedimiento operativo de cálculo de la SST en la Fundación CEAM pues sus coeficientes todavía no están definitivamente fijados.

Posteriormente a este congreso, se vio que el volumen de imágenes a tratar (tanto compradas como recibidas en directo) era tal que se hizo imprescindible modificar los programas de tratamiento de imágenes para que fueran más ágiles sin perder el rigor con el que habían estado funcionando continuamente. De esta forma, en Junio de 1997 este investigador empezó a modificar los programas. La parte más importante de este proceso fue la reescritura del programa de corrección geométrica: se implementó el modelo orbital SGP4 usado por el Departamento de Defensa Aérea de los EE.UU. (NORAD) para el seguimiento rutinario de satélites terrestres, se cambió el concepto de "ajuste de parámetros orbitales" por el más general de "ajuste de la órbita" a los puntos de control, se estructuró todo el software como un conjunto de programas que acceden a librerías comunes, se agilizó el uso de los puntos de control y elementos orbitales, se añadió la salida de información adicional de iluminación solar y observación satelitaria, y se mejoró notablemente el tiempo de tratamiento aprovechando al máximo las capacidades de los sistemas operativos de las máquinas en las que corre el software. Otros procesos adicionales fueron: la generalización de la calibración para tratar información de forma independiente de la máquina, una automatización de la introducción de información básica común a todo el software, el aumento de la velocidad de ejecución de otros programas, la generalización de los programas de detección de nubes en uno solo que de forma inteligente tomara decisiones acerca de los métodos a emplear, y un aumento de los ficheros de informes para efectuar el seguimiento de posibles fuentes de error. Todo este trabajo estaba acabado en Septiembre de 1997. La explicación del funcionamiento de la batería definitiva de programas se encuentra en el fichero HRPTINST.DOC (no se incluye como anexo por su extensión).

Desde Diciembre de 1997 este investigador ha estado organizando de forma óptima la localización de toda la información referente a imágenes de satélite que ha ido generando desde Julio de 1993. Todos los ficheros brutos, los informes de tratamiento, los ficheros temporales de datos, y los ficheros finales se han almacenado en una serie de unidades magnetoópticas. Debido a la interrupción de su relación laboral con la Fundación CEAM, las escenas más recientes se encuentran en diversas fases de tratamiento y en distintas localizaciones temporales. La estructura de ficheros almacenados más significativos puede consultarse en el anexo a este informe.

Las imágenes de SST en tiempo real sobre el Mediterráneo son cruciales en la hipótesis del frente de retroceso aunque también son importantes otras consideraciones de tipo meteorológico (Millán y Estrela, 1992; Estrela et al., 1995; Millán et al., 1995; Badenas et al., 1997; Millán et al., 1997). Debido a esto, este investigador ha sido entrenado en la Fundación CEAM para el pronóstico a corto y medio plazo de la evolución de las condiciones meteorológicas en la Comunidad Valenciana. Desde hace varios años colabora en la redacción del informe diario de predicción de las condiciones meteorológicas del CEAM. El nivel de conocimientos adquiridos en estos años por el grupo de meteorología para las características del Levante español puede apreciarse en Millán et al. (1998a; 1998b).

Otra línea de actuación iba a ser la mejora de un modelo numérico de predicción meteorológica propiedad del CEAM alimentándolo con datos actualizados de las características de la superficie terrestre. Para ello, se había puesto en marcha una línea de investigación paralela que empezó revisando la bibliografía actual y asentando las bases de la teledetección en tierra. Desde principios de 1996 se han ido resolviendo problemas prácticos que afectan en primer lugar a la determinación de la emisividad desde satélite y se han escrito artículos introductorios a esta cuestión (Badenas, 1997a; 1998a). Otro artículo, comparando diversos métodos (Badenas, 1998c, no incluido en la Bibliografía) ha sido rechazado y en estos momentos estaba siendo reescrito. Debido a la interrupción de la relación laboral de este investigador, la siguiente fase de la investigación ha quedado suspendida.

Artigao, M. M., Badenas, C., y Caselles, V., 1997, La importancia de la topografía en la superposición de imágenes Landsat-TM y NOAA-AVHRR para el cálculo de la evapotranspiración: El caso del 28 de Junio de 1991 en Barrax (proyecto EFEDA). En Teledetección Aplicada a la Gestión de Recursos Naturales y Medio Litoral Marino, (ed.: C. Hernández y J. E. Arias), Asociación Española de Teledetección, Universidad de Santiago de Compostela, pp. 187-190.

Badenas, C., Estrela, M. J., y Millán, M. M., 1997d, El papel de la temperatura superficial del mar (SST) en los eventos de precipitaciones intensas en el Levante español: Aplicación al episodio de Septiembre de 1996. En Teledetección Aplicada a la Gestión de Recursos Naturales y Medio Litoral Marino, (ed.: C. Hernández y J. E. Arias), Asociación Española de Teledetección, Universidad de Santiago de Compostela, pp. 110-113.