Analysis of land use changes in the watershed of Metztitlán river (Mexico) using satellite imagery: 1985-2007

José René Valdez-Lazalde¹; Carlos Arturo Aguirre-Salado^2*; Gregorio Ángeles-Pérez¹

¹ Postgrado Forestal. Campus Montecillo. Colegio de Postgraduados. km 36.5 Carretera México-Texcoco. Montecillo Estado de México. C. P. 56230. Correos-e: valdez@colpos.mx, gangeles@colpos.mx.

² Ingeniería Geomática. Facultad de Ingeniería. Universidad Autónoma de San Luis Potosí. C. P. 78290. San Luis Potosí, S.L.P. MÉXICO. Correo-e: carlos.aguirre@uaslp.mx. (*Autor para correspondencia).

RESUMEN

Este trabajo evaluó la pérdida de cobertura vegetal y el crecimiento urbano registrado en los últimos 22 años en la cuenca del río Metztitlán, Hidalgo, México, con el fin de monitorear los cambios y planear un mejor uso del suelo a futuro. Para ello se emplearon imágenes multiespectrales de dos fechas: Landsat 5 Thematic Mapper (TM) 1985 y Landsat 7 Enhanced Thematic Mapper Plus (ETM+) 2007, que sirvieron de base para la elaboración de mapas temáticos con el algoritmo de máxima verosimilitud. Estos mapas fueron comparados mediante una matriz de cambio donde se encontraron dos procesos evidentes: 1) deforestación (0.5 % anual), donde las coberturas más activas fueron el matorral y el bosque de coníferas y latifoliadas con un cambio a agricultura de temporal; y 2) un crecimiento de la mancha urbana de 4.3 % anual durante los 22 años analizados, ocupando espacios anteriormente destinados a agricultura de temporal y en menor grado a bosques, agricultura de riego y pastizales.

Palabras clave: Deforestación, crecimiento urbano, Landsat, Hidalgo.

ABSTRACT

This work evaluated both loss of vegetal cover and urban growth over the last 22 years in the watershed of Metztitlan River, Hidalgo, Mexico, with the purpose of monitoring land use change and planning better the future land use of the study area. Both Landsat images of 1985 (Thematic Mapper, TM) and 2007 (Enhanced Thematic Mapper, ETM+) were used to made thematic maps using the maximum likelihood algorithm. These maps were validated and spatially compared using a change matrix. Two processes of change were detected: (1) annual deforestation (0.5 %), where the most active changes were from scrubland and forest to seasonal agriculture; and (2) urban growth (4.3 % annual rate) displacing agriculture, forests, and grasslands.

Key words: Deforestation, urban growth, Landsat, Hidalgo.

INTRODUCCIÓN

En la cuenca del río Metztitlán, localizada en la parte oriente del estado de Hidalgo, México, ha ocurrido un fuerte deterioro en sus recursos naturales ocasionado principalmente por el crecimiento poblacional (INEGI, 2008). De 1970 a 1990, el estado de Hidalgo registró una alza considerable en la tasa anual de crecimiento poblacional, llegando a un máximo de 2.4 %. Tal crecimiento se ha visto reflejado en ciudades enmarcadas dentro de la cuenca, como Tulancingo de Bravo, Zacualtipán de Ángeles y Atotonilco el Grande. Una causa posible de este crecimiento ha sido la localización estratégica de la cuenca como corredor entre la zona metropolitana del Valle de México y la zona portuaria del Golfo, lo que hace posible el tránsito de un gran número de personas y crea derrama económica, fomentando el desarrollo de la región.

Infortunadamente, esta cuenca no cuenta con una evaluación de la situación actual, ni de los cambios en la cobertura vegetal y en el uso del suelo ocurridos en el pasado reciente. Esto es importante porque dicha información resulta fundamental para la conceptualización y el desarrollo e implementación de modelos de monitoreo ambiental que expliquen las implicaciones de tales cambios en la hidrología, la biodiversidad, la erosión del suelo y la producción agrícola y forestal, entre otras (Linke et al., 2007).

Existen varios trabajos reportados en México que estudian el cambio en el uso del suelo mediante el análisis de mapas obtenidos de fotografías aéreas de diferentes fechas (Franco et al. 2006; Castelán et al. 2007; Dupuy et al., 2007) u obtenidos del procesamiento de imágenes de satélite (Márquez et al., 2005; Reyes et al. 2006; Pinedo et al. 2007). En este sentido, la existencia de archivos históricos de imágenes satelitales ha sido preponderante para contar con información que permita conocer los cambios espaciotemporales de la cobertura y uso del suelo (Treitz y Rogan, 2004).

El propósito fundamental de este trabajo fue analizar los cambios en cobertura vegetal y usos del suelo en la cuenca del río Metztitlán durante el periodo 1985-2007, mediante técnicas de clasificación supervisada de imágenes Landsat.

MATERIALES Y MÉTODOS

Área de estudio

La cuenca del río Metztitlán (329,053.9 ha) se distribuye transversalmente en el estado de Hidalgo (89.9 %) con dirección sureste-noroeste, aunque pequeñas porciones pertenecen a los estados de Veracruz (6.4 %) y Puebla (3.7 %). Se enmarca dentro de los paralelos 19° 53' 41'' y 20° 45' 05'' N y los meridianos 98° 55' 04'' y 98° 08' 39'' O. La cuenca capta la precipitación que esculpió una gran barranca de 75 km de longitud, 9 km de ancho en su parte más amplia y una profundidad media de 500 m, cuya ejemplar biodiversidad en sus laderas motivó a proponer un Área Natural Protegida federal que fue decretada oficialmente el 27 de noviembre de 2000, tomando por nombre Reserva de la Biosfera Barranca de Metztitlán (CONANP, 2003) (Figura 1). El rango de altitudes de la cuenca se encuentra entre los 3,100 m en la Sierra de Singuilucan y 1,250 m en el lecho de la Laguna de Metztitlán (20° 40' N y 98° 51' W), la cual posee una gran importancia ambiental (ecológica y climática), social y económica. Dada la amplitud de la cuenca, las altas precipitaciones que se registran en verano en las zonas boscosas y las modificaciones en los coeficientes de escurrimiento vía deforestación-urbanización han propiciado que la fértil vega del río Metztitlán presente frecuentemente grandes inundaciones que afectan las cosechas agrícolas, e incluso ponen en peligro la vida de los pobladores durante los eventos extremos.

La Comarca Minera incluye un pequeño conjunto de montañas vecinas a la Sierra Madre Oriental que va desde Tulancingo hasta Actopan, y debe su nombre a la existencia de yacimientos de plomo, oro y plata que ocuparon por mucho tiempo el primer lugar nacional de producción de plata. El clima es templado subhúmedo (Cw₁, Cw₂) con lluvias en verano (800-1,000 mm de precipitación anual). Las escasas corrientes de agua obligan a conservarla en presas como San Antonio, El Cedral, Jaramillo y La Estanzuela. En las partes más elevadas y húmedas crecen bosques de Abies religiosa, Pinus spp y Quercus spp, mientras que en las partes secas se desarrollan mezquite (Prosopis laevigata), maguey (Agave salmiana) y nopal (Opuntia spp), entre otras; en los terrenos destinados a la agricultura se producen frutales como manzana (Malus spp), ciruela (Prunus domestica) y durazno (P. persica), y cultivos como cebada (Hordeum vulgare) y maíz (Z. mays).

El Valle de Tulancingo posee un clima templado subhúmedo con lluvias en verano (Cw₁ y Cw₂) y tierras fértiles donde el uso de sistemas de riego aumentó la producción agrícola en cultivos como maíz (Z. mays), alfalfa (Medicago sativa), frijol (Phaseolus vulgaris) y cebada (H. vulgare); y en frutales como tejocote (Crataegus spp), pera (Pyrus sp), membrillo (Cydonia oblonga), capulín (P. serotina) y manzana (Malus spp), entre otros.

Material empleado

Se emplearon dos imágenes de satélite: Landsat 5 TM 1985 y Landsat 7 ETM + 2007. La primera fue obtenida del Institute for Advanced Computer Studies de la Universidad de Maryland (http://glcf.umiacs.umd.edu/), mientras que la segunda se compró corregida de origen (SLC-OFF) a los archivos del United States Geological Survey (USGS) (http://landsat.usgs.gov/). Dicha corrección consistió en la aplicación de un algoritmo basado en la interpolación espectral de las líneas vecinas (Scaramuzza, 2004), para minimizar las anomalías presentes en la imagen debido a las fallas del sensor (Cuadro 1).

La imagen de 1985 (Figura 2A) se obtuvo corregida geométricamente y registrada en el sistema de coordenadas UTM-14n y datum WGS84, mientras que la imagen 2007 (Figura 2B) fue co-registrada a la de 1985 (registro de imagen a imagen - Jensen, 2005), utilizando 32 puntos de control terrestre, una función polinómica de segundo grado, y el vecino más cercano como método de remuestreo. El error fue de 13.5 m (0.45 píxeles). Dado que la detección y análisis de cambios se realizó mediante la comparación espacial de las clases temáticas obtenidas de manera independiente para cada fecha de análisis (1985 y 2007), no se necesitó estandarizar radiométricamente las imágenes Landsat (Jensen, 2005). En las Figuras 2C y 2D se muestra, a manera de ejemplo, un acercamiento a una zona boscosa donde se evidencia el proceso de deforestación ocurrido durante el periodo de estudio.

Metodología

Generación de los mapas de cobertura vegetal y uso del suelo. Se crearon campos de entrenamiento para las siguientes coberturas detectadas mediante recorridos de campo: 1) agricultura de riego (AR); 2) agricultura de temporal (AT); 3) cuerpo de agua (AGUA); 4) bosque (B); 5) matorral (MT); 6) matorral erosionado (MTE); y 7) pastizal (PZ). Las Armas espectrales se evaluaron mediante una matriz de confusión generada con los datos de entrenamiento (LLC, 2006). Posteriormente se realizó una clasificación supervisada con el algoritmo de máxima verosimilitud implementado en el software ERDAS Imagine 8.4, utilizando las bandas 1-5 y 7 de las imágenes; los mapas obtenidos se filtraron con la función moda utilizando una ventana de 3 x 3 celdas para disminuir el efecto de "sal y pimienta" y recortados al área de estudio. Posteriormente los mapas se editaron para disminuir incoherencias en la clasificación, con el apoyo de la imagen de satélite para cada fecha de análisis y la información recabada durante los recorridos de campo realizados ex profeso. Dado que el uso del suelo denominado asentamiento humano (ASH) fue una condición localizada y con una Arma espectral similar a la del suelo desnudo, se decidió no incluirla en la clasificación supervisada, digitalizándola manualmente y agregándola a los mapas clasificados Anales para evitar sobreestimaciones de área para esta clase temática.

Donde, = Suma de los valores ubicados en la diagonal de la matriz; N = Número total de observaciones; = Kappa; = Suma de los productos de los subtotales por clase.

Análisis de cambio. Se estimó lo siguiente: 1) Matriz de cambio: indica la superficie que cambió de uso y/o cobertura vegetal y la superficie que se mantuvo sin cambio (diagonal) entre las dos fechas analizadas; 2) Tasa de deforestación: indica en porcentaje el cambio anual de una cobertura leñosa (B, MT, MTE) a una situación diferente (AR, AT, PZ, ASH), y se calculó con la fórmula referida por Palacio et al., (2004): Td = ((S₂/S₁)^(1/n) -1) * 100 donde Td= tasa de deforestación anual en porcentaje, S₂= área arbolada del año final, S₁= área arbolada del año inicial, n = número de años del periodo de análisis; y 3) Mapa de cambios: i) deforestación, consiste en la eliminación total del arbolado a condiciones de uso del suelo diferentes; ii) degradación, es la disminución en la densidad del arbolado sin un cambio visible en el uso del suelo; iii) recuperación, es el repoblamiento de árboles sobre un área deforestada o perturbada regresando a su condición original; iv) revegetación, incluye el desarrollo de la vegetación secundaria debido al abandono de las tierras agrícolas o ganaderas; y v) urbanización, consiste en el cambio de cualquier tipo de vegetación o uso del suelo a asentamiento humano.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Evaluación de firmas y validación del mapa actual

En los Cuadros 2A y 2B se presentan las matrices de confusión obtenidas con la clasificación de los píxeles para los campos de entrenamiento. En la diagonal se indican los píxeles correctamente clasificados. Los demás valores señalan las clases temáticas destino de los píxeles que fueron clasificados incorrectamente, siendo una forma alterna de analizar la separabilidad espectral de las clases temáticas. Los índices de exactitud general y Kappa para la evaluación de las firmas espectrales empleadas en la imagen Landsat 5 TM (1985) fueron de 94.3 y 92.6 % (Cuadro 2A) y para la imagen Landsat 7 ETM+ (2007) de 93.0 y 91.5 % (Cuadro 2B), respectivamente. Por otro lado el mapa de 2007 se validó satisfactoriamente mediante puntos de control obtenidos durante salidas a campo. La exactitud general y el índice de Kappa fueron aceptables en todos los casos (>80 %) (Mas et al., 2003; Lesschen et al., 2005) (Cuadro 3).

En la Figura 3 se puede apreciar que la distribución de la vegetación está regida por la presencia de algunos factores geoclimáticos, donde un factor importante para su distribución es la condición barlovento-sotavento (Barradas et al., 2004). Las montañas que captan buena parte de la precipitación en los bordes de la cuenca (barlovento), al noreste (Zacualtipán, Agua Blanca), sureste (Acaxochitlán), sur (cercanía de Singuilucan) y suroeste (sierra de Pachuca), hacen posible que se desarrollen vegetaciones propias de clima templado como bosques de pino y pino encino. En tanto, en la parte interna de la cuenca (sotavento), donde el viento viaja con humedad reducida, el tipo de vegetación adaptado es el matorral xerófilo en sus diversas variantes: crassicaule, espinoso y rosetófilo. Por su parte, el uso agrícola es más intenso en condiciones como mayor cercanía a la mancha urbana, relieve plano y una mejor disponibilidad de agua, para el caso de la agricultura de riego.

Dinámica de cambio de uso del suelo

La tasa de deforestación calculada para este periodo fue de -0.5 %. Este valor se considera bajo respecto a los reportados en otros estudios similares. Ochoa y González (2000) reportaron los siguientes resultados: 1) tasas anuales de deforestación de -1.6 % (1974-1984) y -2.1 % (1984-1990) en los altos de Chiapas, 2) en un área más densamente poblada (Huistán) encontraron tasas de deforestación menores: -1.8 % y -1.1 %, y 3) tasas de deforestación completamente variables en un área relativamente despoblada: -0.5 y -3.4 %. Estos autores indican que se debe tener cuidado en la interpretación, uso y análisis de datos sobre las causas de la deforestación en una región dada, ya que sus resultados contradicen al binomio presión social-deforestación. Márquez et al. (2005) estudiaron el cambio de uso del suelo (1970-2000) en una microcuenca cercana a la ciudad de Durango, Dgo., encontrando un visible reemplazo de áreas arboladas por chaparrales y comunidades herbáceas a una tasa de deforestación anual de -2.4 %. Estos autores indican que las principales causas de cambio fueron la ganadería extensiva, la agricultura de temporal, la extracción de leña y la incidencia de incendios forestales. Por su parte Gómez et al. (2006) en su estudio de cambio de uso del suelo en la sierra norte de Oaxaca, encontraron altas tasas anuales de deforestación en el bosque de pino (3.0 %) y bosque de encino (2.0 %).

Si bien es cierto, que la mayoría de los estudios reportan tasas de deforestación medianas y altas en todos los casos, también existen investigaciones que documentan lo contrario. Dupuy et al. (2007) investigaron el cambio de cobertura y uso de suelo durante el periodo 1979-2000 en dos comunidades localizadas en el noreste de Quintana Roo. Ellos registraron un aumento en la cobertura de selvas, proveniente principalmente de la recuperación de áreas quemadas, resaltando el papel ecológico regenerativo que tiene la presencia de incendios y la alta resiliencia de este ecosistema.

Por otro lado, el crecimiento urbano registrado en este estudio se consideró regular (2.5 veces en 22 años) en relación con otras investigaciones reportadas. La agricultura de temporal y en menor grado el bosque, la agricultura de riego y el pastizal cedieron área a los asentamientos humanos. López et al. (2001) reportan el crecimiento de la ciudad de Morelia (Michoacán, México) de seis veces en 37 años (1960-1997), considerándose muy alto. Mientras que Anderson et al. (2005) para Ciudad Victoria, (Tamaulipas, México) determinaron un crecimiento de 1.4 veces durante 30 años (1970-2000), el cual se considera bajo.

Los cambios de la cobertura vegetal ocasionados por la deforestación o urbanización, pueden desencadenar una alteración en las condiciones bioclimáticas de la zona. En este sentido, Barradas et al. (2004) realizaron mediciones de balance de energía para determinar la redistribución de dos tipos de vegetación contrastantes (bosque y pastizal) y sus efectos sobre el flujo de calor sensible. Concluyeron, por las tendencias encontradas, que existe la posibilidad de un cambio climático en esta región, principalmente en la época seca.

CONCLUSIONES

El análisis espacial-cuantitativo realizado de los cambios en la cobertura vegetal y el uso del suelo ocurridos de 1985 a 2007 en la cuenca de Metztitlán, Hidalgo, generó información valiosa para el monitoreo de los recursos naturales de la cuenca. La tasa de deforestación calculada se considera baja (-0.5 % anual), y puede ser explicada mediante la apertura de terrenos agrícolas de temporal en áreas forestales, los cuales una vez improductivos dan paso a la mancha urbana que ha crecido un 250.8 % en 22 años, a un ritmo de 4.3 % anual. Los asentamientos humanos desplazaron a la agricultura de riego y temporal en Tulancingo, al bosque en Zacualtipán y al matorral en Atotonilco el Grande (Hidalgo, México). Sin duda, estos cambios ya tienen implicaciones en el ciclo hidrológico, la biodiversidad, la erosión del suelo y el clima local, entre otros aspectos relevantes. Pero éstos podrán ser monitoreados mediante el desarrollo de modelos que cuantifiquen, expliquen y predigan escenarios a futuro, y sirvan como herramienta de planeación a mediano-largo plazo para los tomadores de decisiones.

LITERATURA CITADA

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