tesis ndvi

5/27/2018 tesis NDVI

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Universidad Autnoma de QuertaroFacultad de Ciencias Naturales

Licenciatura en Biologa

Tendencia del ndice de Vegetacin de Diferencia Normalizada para una zona delcentro de Mxico

TESIS

Que como parte de los requisitos para obtener el grado de

Licenciado en Biologa

Presenta:Paula Livia Lpez Cuellar

Dirigido por:Dr. Aurelio Guevara Escobar

SINODALES

Dr. Aurelio Guevara Escobar _________________Director Firma

Dr. Enrique Gonzlez Soza_ _________________Asesor Firma

Mtro. Hugo Luna Soria____ _________________Asesor Firma

Dr. Humberto Suzn Azpiri_ _________________Asesor Firma

Dr. Oscar Garca Rubio___ _________________Asesor Firma

Dr. Germinal Jorge Cant Alarcn Dr. Humberto Suzn AzpiriDirector de la Facultad Director de Investigacin y

Posgrado

Centro UniversitarioQuertaro, Qro.

2012


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RESUMEN

El aumento de la poblacin y el incremento de las actividades antropognicas,as como el cambio en las condiciones climticas, han conducido amodificaciones importantes en la cubierta vegetal en el pas. Las zonas devegetacin rida y semirida son particularmente sensibles a estos cambios.Monitorear el estado de la cubierta vegetal en estas zonas e identificar sutendencia es importante para la planeacin estrategias para su manejo yconservacin. En este trabajo se estudian los cambios en el estado de lavegetacin (verdor) en una regin del centro del pas para las ltimas dosdcadas mediante el anlisis de una serie temporal del ndice de vegetacin dediferencia normalizada (NDVI) de imgenes Landsat TM. Los cambios queocurren en esta zona se deben en gran medida al crecimiento de la fronteraagrcola. Los resultados obtenidos muestran tendencias positivas del NDVI en lamayor parte de la superficie; sin embargo, las pendientes negativas fueronmayores, es decir, los cambios negativo fueron ms pronunciados. En cuanto alas diferentes coberturas vegetales, la vegetacin de climas secos y subhmedospresent calores de tendencia negativos mayores que la vegetacin de climastemplados. La selva bajas caducifolia y subcaducifola obtuvieron los mayoresvalores de pendiente negativos, seguida por matorrales xerfilos. En cuanto a laregin agrcola, las zonas de agricultura de temporal presentaron un incrementoligero en la tendencia temporal, mientras que las tendencias en la zona de riegofueron ms variadas. Las resolucin de la imgenes Landsat result adecuadapara la diferenciacin de las coberturas vegetales en la zona de estudio. Estetrabajo proporciona una base para el anlisis de los factores que influyen en loscambios de la cobertura vegetal en la zona centro del pas, y una herramientapara la prediccin de cambios en la vegetacin y la localizacin de fenmenoscomo la desertificacin y la erosin.

Palabras clave: NDVI, anlisis de series temporales, NDVI


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SUMMARY

Increasing human population and anthropogenic activities, along with changes ofclimatic conditions, have led to significant modifications on vegetation cover in

Mxico. Arid and semi-arid vegetation are more sensitive to those changes.Monitoring the state of vegetation cover and identifying temporal trends isimportant for defining strategies for the conservation and management of theseareas. This study analyses the changes on vegetation coverage greenness forthe last two decades on a central area of the country using a temporal series ofLandsat TM for the Normalized Difference Vegetation Index (NDVI). Changesoccurring on this area are mainly the result of agricultural land expansion. Resultsobtained on this study show positive NDVI trends on most part of the area.However, negative slopes are steeper, indicating more intense negative changes.

Discriminating between vegetation cover types, vegetation of dry and sub-humidlands showed greater negative trend values compared to the vegetation oftemperate lands. Tropical deciduous and semi-deciduous forest presented thegrater negative slope values, followed by xeric shrublands. For the agriculturallands, rainfed agriculture lands presented a little increase on the temporal trends,whereas irrigation agriculture lands obtained more varied trends. The resolutionof Landsat TM images turned out to be suitable for the discrimination betweendifferent cover types on this study area. The present study provides a base for theanalysis of biological and climatic factors that influence changes on the vegetalcover in this central area of the country, for predicting changes in vegetation and

identifying areas where desertification or erosion may occur.

Key words:NDVI, Temporal series analysis, greenness, NDVI


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AGRADECIMIENTOS

A los fondos sectoriales CONACYT- SEMARNAT para la realizacin del proyectondices de desertificacin de base Fsica y/o biofsica del que es parte este

trabajo.

Al Dr. Aurelio Guevara por dirigir este trabajo, por la oportunidad de trabajar eneste proyecto y por el conocimiento que me ha compartido durante la realizacinde esta tesis.

Al Dr. Enrique Gonzlez Soza, el Dr. Humberto Suzn Azpiri, el Dr. Oscar GarcaRubio por el tiempo dedicado a la revisin de este trabajo, por sus sugerencias yobservaciones. Especialmente quiero agradecer al Mtro. Hugo Luna Soria por eltiempo y los conocimientos compartidos, gracias a los cuales he podido realizar

este trabajo.A mi Familia. Gracias por el apoyo incondicional durante el transcurso de lacarrera y en general en mi vida. Su cario y apoyo me han sostenido en cadadecisin y me ha formado la persona que soy. Gracias por respetar siempre miselecciones. A mis mejores amigos por creer en m e impulsarme a seguiradelante. Agradezco su apoyo, cario y su comprensin.


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N D I C E

Pgina

Resumen i

Summary ii

Agradecimiento iii

ndice iv

ndice de Figuras v

ndice de Cuadros vi

I. INTRODUCCION 1

II. ANTECEDENTES 4

Fundamentos de la teledeteccin 4

ndices de Vegetacin 6

El ndice de Vegetacin de Diferencia Normalizada (NDVI) 7

III. METODOLOGIA 10

Descripcin del rea de estudio 10

Procesamiento de las imgenes satelitales 14

Clculo del NDVI 16

Regresin lineal y anlisis de tendencias del NDVI 17

IV. RESULTADOS Y DISCUSION 18

Clculo del NDVI 18

Regresin lineal y anlisis de tendencias del NDVI

V. CONCLUSIONES

LITERATURA CITADA

APNDICE


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NDICE DE CUADROS

Cuadro Pgina

3.1 Longitudes de onda para las bandas en 14el sensor Thematic Mapper (TM)

4.1 Estadsticas del NDVI de las imgenes de 2006 a 2009 19

4.2 Tendencia del NDVI para los diferentes tipos 30de vegetacin y uso de suelo.


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NDICE DE FIGURAS

Figura Pgina

2.1 Longitudes de onda del espectro electromagntico

2.2 Comportamiento espectral de la vegetacin

2.3 Respuesta espectral de la vegetacin sana

2.4 Radiacin fotosintticamente activa y fotosntesis

3.1 rea de estudio

3.2 Mapa de Provincias Biogeogrficas incluidas en elrea de estudio

3.3 Clasificacin climtica de la zona de estudio, enbase a las modificaciones de clima y vegetacin deGarca y Rzedowski para la clasificacin de Kppen

3.4 Vegetacin y uso de suelo. Inventario NacionalForestal

3.5 Escenas que comprenden la zona de estudio(Landsat TM)

4.1 Clculo del NDVI para el ao 1993



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4.7 Clculo de la tendencia del NDVI por medio del estimadorno paramtrico Theil-Sen.

4.8 Valores de tendencia de cambio del NDVI clasificadospor el mtodo de Jenks (quiebres naturales)

4.9 reas que permanecen sin vegetacin a lo largo delperiodo de estudio

4.10 Distribucin de las zonas con incremento positivo(NDVI > 0) y negativo (NDVI < 0) de verdor de lavegetacin.

4.11 Tendencia del NDVI en una zona agrcola al oestedel estado de Guanajuato

4.12 Manejo en las zonas agrcolas

4.13 Distribucin de la zona agrcola y reas devegetacin natural

4.14 Distribucin y NDVI para la vegetacin de bosque

4.15 Distribucin y NDVI para la vegetacin de selvacaducifolia y subcaducifolias

4.16 Distribucin y NDVI para la vegetacin de matorral

4.17 Distribucin y NDVI para la vegetacin de past izalnatural

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I. INTRODUCCIN

Existen ciertas caractersticas fenolgicas que nos permiten identificar en

qu condiciones se encuentra una cobertura vegetal. Una de estas es el verdor

de la vegetacin, el cual es un indicativo de la actividad fotosinttica y la salud e

integridad de una cubierta vegetal (Liang et al. 2005). Para medir el

comportamiento fenolgico de las coberturas vegetales se han desarrollado

diversos ndices de vegetacin basados en la respuesta espectral de la

vegetacin con datos obtenidos por medio de sensores remotos. Estos sensores

recogen informacin sobre la radiacin que refleja la superficie terrestre y la

almacenan en diferentes bandas de acuerdo su la longitud de onda. En conjunto,

estas bandas proporcionan imgenes o matrices de datos en los que cada pxelcontiene informacin de la reflectancia para una zona especfica de la superficie.

La precisin de estas imgenes para el estudio de la superficie terrestre depende

de la resolucin del sensor y tambin del uso y la escala que se requiera

manejar.

Uno de los ndices ms usados para estudios de monitoreo de la

vegetacin es el ndice de Vegetacin de Diferencia Normalizada (NDVI), con elcual se puede obtener una clasificacin de las diferentes coberturas de una zona

y permite diferenciar la vegetacin vigorosa o activa de la vegetacin senescente

o enferma, mediante el contraste de la cantidad de luz visible (60 m - 70 m) e

infrarroja (70 m - 90 m) que es reflejada por la vegetacin verde. El NDVI ha

sido ampliamente utilizado para la identificacin de zonas prioritarias para

conservacin, problemas como erosin o desertificacin, presencia de plagas y

monitoreo de zonas agrcolas.

Es importante monitorear los cambios que ocurren en la cubierta vegetal

ya que son indicadores importantes de la salud del ecosistema. Estos cambios

son inducidos por las variaciones climticas y el incremento de la actividad

humana. Para monitorear estos cambios se realizan anlisis de series


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temporales de imgenes satelitales con la finalidad de obtener tendencias de

cambio de los valores de los ndices de vegetacin. Estudiar las tendencias

temporales de la vegetacin proporciona herramientas para la identificacin de

reas con riesgo de erosin y prdida de la productividad del suelo. En la

actualidad se dispone de un amplio acervo de informacin satelital. Los archivos

histricos ms antiguos como el de Landsat cuentan con informacin de casi tres

dcadas, lo que permite crear modelos ms precisos sobre los cambios ocurridos

en la superficie terrestre.

El presente trabajo forma parte del proyecto de investigacin ndices de

desertificacin de base fsica y/o biofsica, financiado por fondos sectoriales

CONACYT-SEMARNAT.

El objetivo del trabajo es obtener un modelo del cambio ocurrido en el

estado de la cubierta vegetal de una zona del centro del Mxico durante las

ltimas dos dcadas por medio del anlisis de una serie temporal de imgenes

satelitales del NDVI. Para lo cual se pretende a) obtener una base de datos de

imgenes satelitales de las ltimas dos dcadas para el rea de estudio b)

obtener los valores de NDVI para cada una de las imgenes que conforman laserie temporal c) obtener las tendencias del cambio del NDVI durante el periodo

por medio de una regresin lineal d) identificar las tendencias generales y para

cada tipo de cobertura vegetal de la zona.

El rea de estudio abarca principalmente una parte del Altiplano Sur, y

esta dominada por ecosistemas ridos y semiridos. En las ltimas dcadas se

han presentado diversos cambios en la vegetacin de la zona central de Mxico.

Diversos fenmenos como el crecimiento demogrfico, la sobrexplotacin de

recursos y el cambio climtico han provocado modificaciones en la estructura de

sus paisajes (Butzer, 1997). La vegetacin de zonas ridas y semiridas, es

particularmente susceptible a los cambios en las condiciones climticas

(Madrigal-Gmez y Lpez-Caloca, 2010).


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La degradacin de tierras en zonas ridas, semiridas y subhmedas-

secas tiene como consecuencia problemas como la desertificacin, erosin y la

prdida de la productividad del suelo (Chapela, 2004). Entre los factores que

pueden ocasionar la degradacin de los suelos se encuentran el desplazamiento

de los materiales de los suelos debido a la erosin del viento y el agua, el

empobrecimiento interno de los suelos ocasionado por procesos fsicos y

qumicos, y la prdida de la vegetacin natural (Oropeza, 2004). Debido a la

fragilidad de estos ecosistemas es importante generar informacin sobre las

condiciones de la vegetacin y las variables que influyen en su desarrollo.


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II. ANTECEDENTES

Fundamentos de la teledeteccin

La teledeteccin se define como el uso de sensores remotos con la

finalidad de observar, medir y registrar la radiacin electromagntica reflejada o

emitida por la superficie terrestre, y su posterior anlisis y extraccin de

informacin (Levin, 1999). La materia, dependiendo de su volumen y superficie,

puede interactuar y producir cambios en la radiacin electromagntica incidente,

tales como cambios en la magnitud, direccin, longitudes de onda y polarizacin,

entre otros. Dichos cambios pueden ser detectados y registrados por medio de

imgenes creadas por sensores remotos. La interpretacin de estas imgenespermite identificar las caractersticas de la materia que producen tales cambios

en la radiacin incidente.

La radiacin solar que llega a la tierra puede ser 1) transmitida, es decir

que pasa a travs de la sustancia a otra, 2) absorbida por una sustancia,

contribuyendo en gran parte a su calentamiento, 3) dispersada, es decir,

desviada en varias direcciones, 4) reflejada, si la energa es devuelta sin sufrirmodificaciones desde la superficie de la sustancia, ya sea en un ngulo igual y

opuesto al ngulo de incidencia, o reflejada de igual manera en todas las

direcciones. Las interacciones que pueda tener la materia con la radiacin

electromagntica se producen en funcin de las propiedades de su superficie y

su estructura molecular y atmica (Levin, 1999).

Los sensores satelitales registran estas diferencias en el comportamiento

de la radiacin en interaccin con la superficie terrestre y la almacenan en forma

de retculas o pixeles que contienen informacin de la respuesta espectral de un

punto en la superficie terrestre, dividida en bandas que dividen por rangos las

longitudes de onda del espectro electromagntico (Figura 2.1). Algunos ejemplos

de estos sensores son el Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR)


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de los satlites NOAA, el Thematic Mapper de Lansat, y Moderate Resolution

Imaging Spectroradiometer (MODIS) de los satlites Terra y Aqua. La

informacin que genera estos sensores proporciona una mayor cantidad de

observaciones sobre la cobertura del suelo, en comparacin con los

levantamientos terrestres, y adems permiten la deteccin de caractersticas de

la vegetacin que slo se manifiestan en regiones del espectro electromagntico

y no son detectables a simple vista. Las imgenes satelitales han resultado de

gran utilidad para el monitoreo de cambios de origen antropognico y naturales a

travs de diferentes periodos de tiempo. Algunos de los cambios que permiten

identificar son el desarrollo agrcola, la deforestacin, urbanizacin, desastres

naturales, y la reduccin o crecimiento de cuerpos de agua (Alatorre y Beguera,

2010; Alcaraz-Segura, et al.2008)

Figura 2.1. Longitudes de onda del espectro electromagntico


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ndices de Vegetacin

Debido al desarrollo de los sensores satelitales es posible obtener

informacin de la superficie terrestre y monitorear los cambios en la estructura y

productividad de la cobertura vegetal. Con los Sistemas de Informacin

Geogrfica (SIG) es posible realizar transformaciones de las imgenes satelitales

para destacar algunos de los atributos fenolgicos de la biomasa vegetal (Soria y

Granados, 2005). Estas transformaciones son los ndices de Vegetacin.

Existen diversos ndices de vegetacin, y todos tienen como base el

contraste de los valores de reflectancia y absorcin de las radiaciones roja (60m - 70 m) e infrarroja (70 m - 90 m). Estos ndices son el ndice de

Vegetacin de Diferencia Normalizada (NDVI) y en ndice de Vegetacin

Mejorado (EVI), que proporcionan una representacin del grado de verdor de una

cobertura vegetal, con lo que es posible hacer deducciones precisas acerca del

funcionamiento de la vegetacin (Liang et al.2005) .

Los ndices de vegetacin son usados para discriminar entre lavegetacin con alta actividad fotosinttica y la vegetacin en bases fenolgicas

iniciales. Tambin permiten diferenciar las zonas vegetadas de otras coberturas;

y diferenciar la vegetacin sana de aquella senescente o que se encuentra bajo

algn tipo de estrs (ej. plagas, cambio de uso de suelo); (Figura 2.2).


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Figura 2.2. Comportamiento espectral de la vegetacin. Tomado de Levin, 1999.

El ndice de Vegetacin de Diferencia Normalizada (NDVI)

El ndice de Vegetacin de Diferencia Normalizada (NDVI por sus siglas

en ingls) fue desarrollado por Rouse et al.(1974), y desde entonces ha sufrido

algunas adaptaciones para mejorar su exactitud. Al igual que los dems ndices

de vegetacin, el NDVI se calcula usando la reflectancia de las regiones roja e

infrarroja del espectro electromagntico. Pero, respecto a otros ndices de

vegetacin, el NDVI tiene la ventaja de tener una gran sencillez de clculo y de

facilitar la interpretacin directa de los parmetros biofsicos de la vegetacin(Jimnez et al.2009).

El fundamento del ndice es el contraste que se genera entre la

reflectancia de las radiaciones roja e infrarroja. La vegetacin senescente

reflejar ms energa en el rojo visible, y la vegetacin vigorosa reflejar ms


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energa en el infrarrojo cercano (Figura 2.3). Un mayor contraste entre ambas

bandas es indicativo de una vegetacin de una mayor actividad fotosinttica. Por

lo tanto, un valor alto del NDVI ser indicativo de una alta actividad fotosinttica

(Alatorre y Beguera, 2009, 2010; Julien, 2008). En cambio, cuando la vegetacin

sufre algn tipo de estrs su reflectancia de las radiaciones roja e infrarroja

disminuye, por lo que el contraste entre ambas bandas es menor al mostrado por

la vegetacin vigorosa (Soria y Granados, 2005).

Figura 2.3. Repuesta espectral de la vegetacin sana

Lo anterior se debe a que la clorofila en las hojas absorbe parte de la

radiacin proveniente del sol para llevar a cabo la fotosntesis. Esta radiacin

(Radiacin Fotosintticamente Activa - PAR) comprende la regin del espectroelectromagntico 0.4m 0.71m, y est asociada con valores bajos de

reflectancia y transmitancia (figura 2.4). Mientras que la regin de 1.3m a

2.5m corresponde a altos niveles de reflectancia y transmitancia debido a que la

absorcin es muy poca (Tuker y Sellers, 1986).


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La estructura celular de las hojas refleja la radiacin infrarroja, por lo

tanto, mientras ms hojas haya en una cubierta vegetal, mayor ser la

reflectancia en esta regin del espectro. La vegetacin senescente refleja ms

luz visible que infrarroja.

Figura 2.4. Radiacin fotosintticamente activa y fotosntesis. Tomado de Tucker y Sellers, 1986.

Las tendencias temporales de algunos indicadores de la productividad de

la vegetacin, como el grado de verdor, pueden servir de herramientas para la

identificacin de zonas degradadas y zonas que se conservan integras (Bai y

Dent, 2006). Las tendencias temporales del NDVI se han empleado ampliamente

en el estudio de la cobertura vegetal. Entre las aplicaciones que se le han dado

se encuentran el anlisis de la respuesta de los ecosistemas a los cambios

climticos (Jimnez et al.2009; Liang et al. 2011), monitorear el crecimiento de la

vegetacin, la cobertura vegetal y la produccin de biomasa ( De Badts et al.,

2005; Julien, 2008), estudios sobre los procesos de regeneracin de lavegetacin en zonas devastadas (Riao et al. 2002), identificacin de zonas

degradadas por procesos de erosin (Alatorre y Beguera, 2010) y el monitoreo

de los procesos ecolgicos en reas naturales protegidas (Alcaraz-Segura et al.,

2008).


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III. METODOLOGA

Descripcin del rea de estudio

El rea de estudio comprende parte de los Estados de Aguascalientes,

Hidalgo, Jalisco, Michoacn, Quertaro, San Luis Potos, Zacatecas y gran parte

del Estado de Guanajuato (Figura 3.1). La zona se delimit en base a un mapa

de subcuencas hidrolgicas (CONABIO, 1998). La zona es la ms importante por

su densidad poblacional despus de la Zona Metropolitana del Valle de Mxico y

tambin es la segunda ms importante en cuanto a la produccin de alimentos

despus de la Zona Pacfico en Sinaloa.

Figura 3.1. Zona de estudio


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La mayor parte del rea de estudio comprende parte de la regin Sur del

Altiplano mexicano ubicado en la parte centro - norte del pas (Figura 3.2). Es

una regin semidesrtica cuya actividad econmica se ha enfocado

principalmente en la explotacin de yacimientos minerales (Nieto-Samaniego,

2005). La regin sur se caracteriza por tener las cotas ms elevadas, ms de la

mitad de la superficie de esta regin se encuentra por arriba de los 2000 msnm,

con excepcin del valle de Aguascalientes. La regin se encuentra

principalmente cubierta por roca volcnica y presenta menor grado de erosin

que el Altiplano norte.

Figura 3.2. Mapa de Provincias Biogeogrficas incluidas en el rea de estudio (CONABIO, 1997).


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A su vez, la zona se divide en nueve regiones hidrogrficas, siendo las

principales, las del Ro Santiago, Ro Panuco y Lerma - Chapala (INEGI-INE-

CONAGUA, 2007). En la zona se encuentran algunos cuerpos de agua grandes

como la Laguna de Yuriria al sur del Estado de Guanajuato.

De acuerdo a la clasificacin de Kppen (1948), usando las

modificaciones de clima y tipologa de la vegetacin adaptadas para Mxico por

Garca y Rzedowski (CONABIO, 1998), los tipos de clima presentes en la regin

son los climas B de tipo seco, que prevalecen en la mayor parte del Altiplano

mexicano, al noreste y centro de la zona de estudio; los de tipo (A)C, semiclidos

que abarcan parte del centro y suroeste de la zona; y los de tipo C, templados

hmedos y subhmedos, que se localizan en las zonas de mayor elevacin.

Figura 3.3. Clasificacin climtica de la zona de estudio, en base a las modificaciones de clima yvegetacin de Garca y Rzedowski para la clasificacin de Kppen (CONABIO, 1998)


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La parte este de la zona se caracteriza por ser mayormente de clima

semirido, templado, con temperatura media anual entre 12C y 18C. Al centro y

oeste de la zona se encuentras climas semiclidos subhmedos, con

temperatura media anual mayor a 18C; y templados subhmedos con

temperatura media anual entre 12C y 18C (Figura 3.3)

Figura 3.4. Vegetacin y uso de suelo. Inventario Nacional Forestal, CONAFOR, 2000.

La vegetacin ha sufrido alteraciones en gran parte de la zona de

estudio, una gran superficie ha sido destinada a actividades agrcolas (Carranza,2005). Las principales formaciones vegetales en la zona son pastizales

naturales (pastizal-huizachal), mezquital y matorral xerfilo (submontano).

Adems se registran algunas zonas dispersas de bosque (encino, pino encino

y latifoliadas), as como algunos manchones de selvas caducifolias y

subcaducifolias (Figura 3.4).


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Procesamiento de las imgenes satelitales

Para este trabajo se utiliz una base de datos de imgenes Landsat 5 TM

para el periodo de 1993-2009. La razn por la que se seleccion esta base de

datos es porque cuenta con el registro histrico ms extenso, con imgenes

desde 1982. La base de datos comprende 36 imgenes, seis imgenes de cada

escena (Apndice 1). La informacin satelital se obtuvo gratuitamente en la red,

del Archivo Landsat (coleccin Landsat 5 TM), de los archivos del USGS (U.S.

Geological Survey).

El sensor Thematic Mapper (TM), que se encuentra abordo del satlite

Landsat 5 de la NASA, ha adquirido imgenes de la Tierra casi continuamentedesde Julio de 1982 hasta el presente ao. Las imgenes Landsat TM consisten

en siete bandas espectrales (Cuadro 3.1). La resolucin espacial es de 30

metros para las bandas 1-5 y 7. La resolucin de la banda 6 (infrarrojo trmico)

es de 120 metros. El tamao aproximado de las escenas es de 170 km norte -

sur por 183 km este - oeste. Su resolucin temporal, es decir, el tiempo que pasa

desde la obtencin de una imagen de un punto de la tierra hasta la siguiente

toma, es de 16 das.

Cuadro 3.1. Longitudes de onda para las bandas en el sensor Thematic Mapper (TM)

Banda sensor TM Landsat 5 Resolucin (micrmetros) Metros

Banda 1 0.45 - 0.52 30Banda 2 0.52 - 0.60 30

Banda 3 0.63 - 0.69 30Banda 4 0.76 - 0.90 30Banda 5 1.55 - 1.75 30Banda 6 10.40 - 12.50 120Banda 7 2.08 - 2.35 30


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La zona de estudio comprende seis escenas: p27r45, p27r46, p28r44,

p28r45, p28r46, p29r45 (Figura 3.5). De cada una de las escenas se obtuvieron

imgenes correspondientes al periodo de Agosto a Noviembre. Se eligi este

rango de meses por ser los que representan el pico ms alto en el desarrollo de

la vegetacin, adems se ampli el rango hasta el mes de noviembre debido a la

limitada disponibilidad de escenas en la temporada con bajo porcentaje de

nubosidad. Se esperaba que en este rango se pueda apreciar una diferencia

notoria del cambio en el grado de verdor de la cobertura vegetal durante el

periodo de estudio. Para la seleccin de imgenes se tom en cuenta el factor de

cobertura de nubes, ya que sta puede alterar o causar una interpretacin

errnea del NDVI.

Figura 3.5. Escenas que comprenden la zona de estudio (Landsat TM)


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Debido a la limitada disponibilidad de imgenes en lnea, se completaron

solamente seis mosaicos de la zona de estudio para los aos 1993, 1994, 1997,

1999, 2000 y 2009. Los productos disponibles en lnea son imgenes estndar.

Estas imgenes fueron procesadas con la Standard Terrain Correction(nivel 1T),

es decir que cuentan con exactitud geomtrica y radiomtrica obtenida mediante

puntos de control en tierra y la aplicacin de un Modelo de Elevacin Digital

(DEM, por sus siglas en ingls) para la exactitud topogrfica.

Para este trabajo solamente se utilizaron las bandas 3 (0,63m a 0,69m

- rojo) y 4 (0,76m a 0,90m - infrarrojo cercano). El rango de longitud de onda

de las bandas del sensor TM de Landsat, en comparacin con otros sensores,

permite mejorar la discriminacin entre suelo y vegetacin, y disminuir el efectode relieve (pendiente y orientacin) en la caracterizacin espectral de las

diferentes coberturas vegetales (Soria y Granados, 2005). El primer paso fue

crear puntos de control en cada una de la imgenes para referenciarlas y alinear

todas las imgenes de la serie temporal para cada una de las escenas que

conforman el mosaico del rea de estudio, de manera que coincidieran en todos

los pixeles para poder llevar a cabo el anlisis de regresin de la serie de tiempo.

Clculo del NDVI

Se calcul el ndice de Vegetacin de Diferencia Normalizada (NDVI)

para cada una de las escenas. El NDVI permite identificar masas de vegetacin,

haciendo una discriminacin entre reas forestadas y deforestadas, as como

diferenciar entre las diferentes coberturas vegetales. El clculo del NDVI se

obtiene mediante la siguiente ecuacin (Rouse etal., 1974):

Donde IRc es la regin del infrarrojo cercano en el espectro electromagntico

(0,76m - 0,90m) y R es la regin del rojo visible (0,63m - 0,69m).


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Los valores que arroja este ndice se encuentran dentro del rango -1 a 1. Los

valores altos del NDVI son indicativo de una alta actividad fotosinttica de la

cubierta vegetal (Alatorre y Beguera, 2010). Para obtener imgenes completas

de la zona de estudio para los diferentes aos, se crearon mosaicos con las seis

escenas que la comprenden. Se recortaron los mosaicos con una capa de la

zona de estudio, por medio de las herramientas de anlisis espacial de ArcMap

(ESRI).

Regresin lineal y anlisis de tendencia del NDVI

Se realiz un anlisis de la serie temporal del NDVI para obtener lastendencias del cambio de la vegetacin. El mtodo ms comnmente aplicado

para anlisis de tendencia en series temporales es el de mnimos cuadrados

(OLS, por sus siglas en ingls) (De Beurs y Henebry, 2003). Sin embargo, en

ste trabajo se aplic el modelo de regresin Theil-Sen, el cual es un estimador

no paramtrico altamente recomendado en el anlisis de series temporales

cortas, ya que produce un resultado ms confiable en comparacin con otros

modelos de regresin. Este estimador se caracteriza porsu robustez frente a losefectos de valores extremos, ya que la estimacin de pendiente media Theil-Sen

no se ve afectada por valores extremos hasta que stos superan el 29% de la

longitud total de la serie. El estimador Theil-Sen esta formulado para un modelo

de regresin lineal simple, y ha tenido importantes aplicaciones en la

teledeteccin y para censar datos (Fernandes y Leblanc, 2005). Las tendencias

de la serie temporal se calculan obteniendo la pendiente de las medianas para

cada pxel. El anlisis se realiz por medio del Software de Procesamiento de

Imgenes IDRISI Taiga (Clark Labs).


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IV. RESULTADOS Y DISCUSIN

Clculo del NDVI

El clculo del NDVI se realiz de manera independiente para cada uno

de los pixeles que forman la imagen satelital. Las figuras 4.14.6 presentan el

clculo del NDVI obtenido para cada uno de los aos del estudio. Las imgenes

se presentan en escala de colores, donde las tonalidades clidas representan los

pxeles con menor grado de verdor de la vegetacin, mientras que los colores

fros representan las reas ms verdes en la escena. Se aadi informacin

sobre las curvas de nivel de la zona de estudio, ya que la altitud es un factor

directamente relacionado con los valores de NDVI y ayuda a discriminar entre lasdiferentes coberturas vegetales (Dedios, 2009)

Los valores de NDVI correspondientes a la vegetacin oscilan entre 0.2 y

0.8. El umbral crtico para la vegetacin es NDVI = 0.1 (Soria y Granados, 2005).

Los valores bajos de NDVI (< 0.1) corresponden a suelos desnudos, arena y

nieve. Los cuerpos de agua presentan valores de NDVI muy cercanos a cero, ya

que su superficie absorbe de igual manera la luz visible y la radiacin infrarroja.

La prdida de continuidad que se presenta en algunas de las imgenes

se debe a que los mosaicos de la zona de estudio se construyeron con imgenes

de diferentes meses, ya que la cobertura de nubes en la temporada dificult la

obtencin de una serie ms homognea; sin embargo, esta diferencia no afecta

el objetivo final del anlisis, el cual es obtener una tendencia general del cambio

del NDVI para el periodo del estudio.


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Cuadro 4.1. Estadsticas para el NDVI de las imgenes de 1993 a 2009

Ao Mnimo Mximo

1993 0.22 0.14 -0.68 11994 0.21 0.13 -0.78 0.97

1997 0.24 0.15 -0,96 11999 0.17 0.11 -0.62 0.972000 0.31 0.18 -0.69 0.982009 0.20 0.13 -1 0.87

Figura 4.1 Clculo del NDVI para el ao 1993 Con informacin de la altitud, curvas de nivel cada200 m, extrado del Modelo Digital del Terreno escala 1:250000 de INEGI (CONABIO, 1998).


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Figura 4.2. Clculo del NDVI para el ao 1994 e informacin de la altitud, con curvas de nivelcada 200 m, extrado del Modelo Digital del Terreno escala 1:250000 de INEGI (CONABIO,1998).

Los valores del NDVI son consistentes con la clasificacin de vegetaciny uso de suelo del Inventario Nacional Forestal (CONAFOR, 2000). Los valores

ms altos del NDVI (0.50.9) se encuentran distribuidos en las zonas ms altas

y corresponden a las zonas de bosque y algunas zonas de agricultura de riego.

La vegetacin rida presenta valores de NDVI entre 0.2 y 0.4 y se distribuye

principalmente en las zonas con menor altitud, con excepcin de las selvas bajas

en la Sierra Occidental. Entre ese rango de NDVI tambin se encuentran gran

parte de las zonas de agricultura de temporal y riego. Los valores de NDVI < 0.1corresponden a barrancas y zonas de suelo desnudo, cuerpos de agua y zonas

agrcolas no cultivadas.

La zona sur del rea de estudio presenta valores ms altos del NDVI en

comparacin con la zona norte, esto puede deberse a la distribucin de las


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precipitaciones, que son mayores (entre 600 mm 1000 mm) para la parte de

Jalisco, Michoacn y el sur de Guanajuato y Quertaro, mientras que para

Zacatecas, Aguascalientes y norte de Guanajuato la precipitacin anual es de

300 mm a 600 mm. Los valores de NDVI para el 2009 disminuyen, lo que puede

estar relacionado con la baja en las precipitaciones que se presento ese ao en

los estados que conforman el rea de estudio.



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La resolucin espacial de las imgenes Landsat TM facilit la

discriminacin entre los diferentes tipos de coberturas que componen el rea

de estudio, ya que a menor tamao de pixel disminuye la posibilidad de que el

valor de NDVI sea un compuesto entre el valor de dos tipos de vegetacin

contiguos; de este modo los lmites de cada cobertura se marcan con ms

precisin.


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Regresin lineal y anlisis de la tendencia del NDVI

El anlisis de las tendencias del NDVI por medio del estimador Theil-

Sen proporciona una imagen de la zona de estudio con la mediana del cambio

del NDVI de los diferentes aos para cada pixel. La tendencia observada para

cada pxel es independiente del resto de los pixeles (Figura 4.7). Los valores

cercanos a cero indican pendientes menos pronunciadas, mientras que los

valores ms alejados al cero son indicativos de cambios ms intensos en el

verdor de la vegetacin y por lo tanto en la actividad fotosinttica de la cubierta

vegetal.

Figura 4.7. Clculo de la tendencia del NDVI por medio del estimador no paramtrico Theil-Sen.


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En la imagen de las tendencias del NDVI se aprecia una marcada

diferencia en los datos al sureste de la zona de estudio. Esto se debe a que la

fecha de adquisicin de las imgenes en esta escena (p28r46) vara mucho en

cuanto a los meses de adquisicin de las imgenes. La serie temporal para esta

escena contiene imgenes que ocupan los extremos del rango mensual, es decir

contiene imgenes de agosto y noviembre, por lo que existe una importante

variacin en el estado de la vegetacin, y debido a que la serie temporal es corta,

estos valores extremos inclinaron la pendiente hacia valores negativos.

Figura 4.8. Valores de tendencia de cambio del NDVI clasificados.

La media del NDVI para la totalidad del rea de estudio es 0,001537

0,0254 (media y desviacin estndar). La mayor parte del rea de estudio

presenta tendencias positivas (figura 4.7). Sin embargo, los valores de pendiente

negativos fueron mayores (NDVI = -0,5837), lo que indica que los cambios


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negativos fueron ms pronunciados. Cerca del 95% de los valores se encuentran

dentro del rango -0,06 a 0,06. De manera general, se aprecia muy poca variacin

en los valores de NDVI durante el periodo de estudio, y permanecen constantes

para la mayor parte de la zona (Figura 4.8).

En la figura 4.9 se muestran las zonas que obtuvieron un valor de NDVI 0) y negativo (NDVI < 0)de verdor de la vegetacin.

Para analizar los patrones espaciales de cambios en el NDVI se compar

la imagen de tendencias obtenida con el mapa vegetacin y uso de suelo del

Inventario Nacional Forestal (CONAFOR, 2000).

En las zonas agrcolas, tanto para agricultura de riego como de temporal,

las tendencias del NDVI son muy variadas (Figura 4.11). Esto se debe a que el

cambio continuo en la cobertura vegetal genera cambios importantes en la

respuesta espectral. El aumento o la disminucin del NDVI dependen del manejo

reflejado en esa poca del ao, as como de la temperatura y la precipitacin.


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Figura 4.11. Tendencia del NDVI en una zona agrcola al oeste del estado de Guanajuato.

La figura 4.12 muestra una distribucin aproximada de los tipos de

manejo en la zona agrcola (CONAFOR, 2000). Las zonas agrcolas se

encuentran ampliamente distribuidas a lo largo del rea de estudio, ocasionando

una fragmentacin importante en la vegetacin natural, principalmente en la

parte central, que abarca la regin del Altiplano Sur (Figura 4.13). Se observa

tambin una tendencia negativa del NDVI en las zonas circundantes a los

principales asentamientos humanos de la regin (Quertaro, Len, Guanajuato,

Silao, Celaya y Aguascalientes).


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Figura 4.12 Manejo en las zonas agrcolas (CONAFOR, 2000)

Cuadro 4.2. Tendencia del NDVI para los diferentes tipos de vegetacin y uso de suelo.

Tipo de vegetaciny uso de suelo

Mnimo Mximo

Bosque 0,003325 0,0198 -0,248778 0,196671Selva -0,003968 0,0261 -0,583735 0,210655Matorral 0,008471 0,0182 -0,479839 0,240608Pastizal natural 0,006175 0,0160 -0,337394 0,231339Zonas agrcolas -0,001542 0,0285 -0,286876 0,268728


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Figura 4.13. Distribucin de la zona agrcola y reas de vegetacin natural (CONAFOR, 2000)

Las reas que an conservan su vegetacin natural se encuentran

principalmente distribuidas al Este de la zona de estudio (Figura 4.13), y estn

comprendidas por pastizal, matorral (incluye huizachal y mezquital), selvas bajas

caducifolias y subcaducifolias, y bosques. Los bosques presentan valores de

pendiente nulos y positivos en la mayor parte de su distribucin. Los cambios

negativos del NDVI se localizan norte de la zona de estudio, en la Sierra

Occidental, y al sur del estado de Guanajuato, mientras que para los estados de

Quertaro e Hidalgo, el NDVI es positivo. Estas tendencias positivas en la zona

pueden estar relacionadas con la presencia de las Reservas de la Biosfera de la

Sierra Gorda en Quertaro y Guanajuato (Figura 4.14).


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Figura 4.14. Distribucin y NDVI para la vegetacin de bosque

En el caso de las selvas, compuestas principalmente por matorral

subhmedo, se presentan tendencias positivas y nulas en gran parte de su

distribucin. Las tendencias negativas se localizan al sur de Guanajuato, norte de

Michoacn y en la Sierra Occidental. La zona sur es principalmente agrcola y la

vegetacin natural se encuentra muy fragmentada debido al cambio de uso desuelo. En este tipo de vegetacin es donde se presentan los valores mnimos

ms extremos (NDVI= -0,58), esto se debe a que la relacin lluvia NDVI es

mayor en los tipos de vegetacin caducifolia y subcaducifolia que en la

vegetacin perenne. Las pendientes positivas ms pronunciadas se localizan


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entre los estados de Hidalgo y Quertaro, al igual que en la Sierra Occidental

(Zacatecas y Aguascalientes), y unas reas en los Altos de Jalisco (Figura 4.15).

Figura 4.15. Distribucin y NDVI para la vegetacin de selva caducifolia y subcaducifolias

El matorral xerfilo es el tipo de vegetacin ms extenso en el pas,

ocupan aproximadamente 26% del territorio (INEGI, 2005), y se encuentradistribuido en las zonas ridas y semiridas dentro del rea de estudio. Esta

vegetacin permanece estable y con valores de pendiente positivos en casi toda

su distribucin, esto puede deberse a que estas zonas, no son muy apropiadas

para la agricultura, por lo que no se han visto tan perturbadas por la actividad

humana. Los valores de pendiente ms bajos de localizan en la parte sureste de


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la zona de estudio, en donde se aprecia una mayor fragmentacin para este tipo

de vegetacin (Figura 4.16). Aunque las zonas que registran tendencias

negativas son menores, presentan cambios ms drsticos. La prdida de la

cubierta vegetal es ms severa en ecosistemas de matorral xerfilo que en otros

tipos de matorral (Sandoval, 2010).

Figura 4.16. Distribucin y NDVI para la vegetacin de matorral

En el caso de los pastizales, se observan cambios positivos en el NDVI

para aproximadamente el 70% de su distribucin (Figura 4.17). Sin embargo, las

pendientes negativas son mayores que las positivas y se distribuyen cerca de las

zonas agrcolas.


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Figura 4.8. Distribucin y NDVI para la vegetacin de pastizal natural

Es importante monitorear los cambios en la cubierta vegetal pues son un

indicador importante del cambio en un sistema ecolgico. Estos cambios en la

estructura y funcionamiento de un ecosistema pueden tener efectos negativos

sobre los servicios ambientales y sobre el aprovechamiento del suelo. En Mxico

se contabilizan cerca de 21.7 millones de hectreas de superficie agrcola y,

aunque esta cifra se ha mantenido relativamente constante (SEMARNAT, 2004),

el cambio de uso de suelo an continua incrementando. Guanajuato se

encuentra entre los estado con mayor porcentaje de sus superficie ocupada por

suelos agrcolas (48%) (SEMARNAT, 2004). Esta expansin de las zonas

agrcolas puede provocar cambios importantes en la vegetacin natural, no

solamente por el cambio de uso de suelo, sino tambin por efectos de


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fragmentacin de los ecosistemas, lo que eventualmente puede provocar perdida

de especies tanto vegetales como de fauna, e incrementar la sensibilidad del

ecosistema a especies invasoras. Es importante tener en cuenta que la

vegetacin de las zonas ridas es muy sensible a los cambios de uso de suelo.

Aunque no existe una estimacin real de la prdida de matorral, huizachal,

mezquital y pastizal natural en las zonas ridas del pas, SEMARNAT estima que

el 70% de estas zonas se encuentran sobrexplotadas por las actividades de

ganadera extensiva, lo que tambin conduce a la degradacin del suelo y

eventualmente al proceso de desertificacin.


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V. CONCLUSIONES

El uso de la teledeteccin y los sistemas de informacin geogrfica para

el estudio de la cobertura vegetal es de gran utilidad cuando se trata de evaluar

cambios en reas muy extensas como en este caso. Adems la informacin que

proporcionan los sensores satelitales permite evaluar caractersticas fenolgicas

de la vegetacin de manera precisa y gran escala. La resolucin de las imgenes

Landsat TM result adecuada para discriminar entre las diferentes coberturas

vegetales e identificar tendencias temporales especficas de cada una.

De manera general, se observ un incremento en los valores del NDVI

en la mayor parte del rea de estudio, pero los valores de pendiente negativosque se obtuvieron muestran que en las zonas donde ocurrieron tendencias

negativas del NDVI los cambios fueron ms intensos. Discriminando entre las

coberturas vegetales, la selva caducifolia y subcaducifolia mostr mayores

valores de tendencia negativos, mientras que la vegetacin de bosque se

mantiene ms constante en cuanto a su valor de NDVI a lo largo del periodo. En

matorral xerfilo y pastizales, las pendientes negativas son ms pronunciadas,

sin embargo, la variacin entre pendientes positivas y negativas no es muymarcada. Se aprecia una disminucin anual en los cuerpos de agua ms grandes

de la zona, entre ello la laguna de Yuriria en Guanajuato.

Sera conveniente contar con una serie temporal ms larga y una mayor

disposicin de imgenes que permitiera reducir el rango de meses para obtener

un anlisis ms preciso de las tendencias temporales. El estimador Theil-Sen

permite identificar tendencias temporales del NDVI, sin embargo no aporta

informacin sobre los factores que influyen en estas tendencias. Sera

conveniente realizar un anlisis que incluya variables climticas para determinar

cuales tienen mayor influencia sobre las variaciones del NDVI en la zona. Este

estudio proporciona una base para analizar los cambios fenolgicos que han

ocurrido en la vegetacin de la zona central del pas en las ltimas dos dcadas,


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as como tambin una herramienta para la prediccin de tendencias y

localizacin de fenmenos como la desertificacin.


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APNDICE

Apndice 1. Relacin de las escenas utilizadas en el estudio

Escena Fecha Escena Fecha

p27r45 1993 NOV-12 p28r45 1993 OCT-02p27r45 1994 SEP-28 p28r45 1994 NOV-22p27r45 1997 OCT-22 p28r45 1997 SEP-27p27r45 1999 OCT-28 p28r45 1999 NOV-4p27r45 2000 OCT-30 p28r45 2000 NOV-22p27r45 2009 NOV-24 p28r45 2009 NOV-12p27r46 1993 OCT-11 p28r46 1993 NOV-19p27r46 1994 SEP-28 p28r46 1994 NOV-22p27r46 1997 OCT-22 p28r46 1997 SEP-27p27r46 1999 OCT-28 p28r46 1999 NOV-04p27r46 2000 OCT-30 p28r46 2000 AGO-18p27r46 2009 NOV-24 p28r46 2009 NOV-17p28r44 1993 OCT-02 P29r45 1993 NOV-10p28r44 1994 OCT-21 P29r45 1994 OCT-28p28r44 1997 OCT-20 P29r45 1997 OCT-20p28r44 1999 OCT-03 P29r45 1999 OCT-26p28r44 2000 NOV-22 P29r45 2000 AGO-10p28r44 2009 NOV-15 P29r45 2009 OCT-19

tesis ndvi

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