Application of multi-scale remote sensing tools for spatial characterization of indicators and drivers of fire-induced ecological impact

Abstract

[ES] En las últimas décadas, la actividad antropogénica ha causado cambios notables en los atributos del régimen de incendios en los países de la cuenca del Mediterráneo occidental, debido principalmente a la pérdida de usos tradicionales derivados del abandono rural, el cambio climático y la falta de estrategias de gestión forestal adecuadas, lo que ha llevado a una acumulación de biomasa propensa a incendios. El nuevo régimen de incendios, caracterizado por un aumento en la frecuencia de incendios forestales extensos y severos, afecta a importantes funciones y servicios de los ecosistemas, con impactos sin precedentes a nivel socioeconómico. Este hecho es especialmente relevante en las zonas de interfaz urbano-forestal (WUI), donde los incendios forestales extremos representan una grave amenaza para la vida humana y los bienes. En este contexto, la caracterización espacial del impacto inducido por el fuego, comúnmente como como severidad del fuego, es crucial para proporcionar una base científica que permita diseñar estrategias de gestión forestal adecuadas que mejoren la respuesta adaptativa de los ecosistemas a los regímenes de incendios actuales. Los métodos de campo se consideran muy fiables para evaluar los impactos en la vegetación y el suelo en paisajes quemados, aunque a menudo carecen de la exhaustividad espacial que permita evaluar incendios forestales de gran tamaño. Por ello, los métodos de teledetección han surgido como herramientas fiables el seguimiento y la cuantificación de la severidad a gran escala debido a su rentabilidad y su naturaleza sinóptica. En este contexto, el objetivo principal de esta Tesis Doctoral es el desarrollo de nuevas técnicas de teledetección multiescala dirigidas a identificar indicadores espaciales de los impactos ecológicos inducidos por el fuego y evaluar los impulsores del comportamiento extremo de los incendios forestales bajo diferentes regímenes de fuego a lo largo de un gradiente climático ibérico, con especial atención a las WUIs debido a su alta vulnerabilidad socioeconómica. En primer lugar, se pretendió mejorar la estimación de la severidad del fuego en los suelos forestales, que son compartimentos críticos del ecosistema que impulsan las funciones y procesos del ecosistema, vinculando indicadores ecológicos de la severidad con la señal espectral de productos de teledetección de muy alta resolución espacial obtenidos con vehículos aéreos no tripulados (UAV) (Artículos I y II). La severidad del fuego en el suelo se evaluó en el campo 1 mes después de un incendio forestal a través de un Índice Compuesto de Severidad en el Suelo (CBSI), y de un conjunto de indicadores individuales (profundidad y cobertura de la capa de cenizas, cobertura de restos finos, cobertura de restos gruesos y profundidad de suelo desestructurado). Además, se analizaron propiedades de suelo potencialmente indicadoras de cambios inducidos por el fuego: diámetro medio ponderado (MWD), contenido de humedad del suelo (SMC) y carbono orgánico del suelo (SOC). Simultáneamente, se recolectaron imágenes multiespectrales posteriores al incendio del sensor satelital Sentinel-2A MSI (resolución espacial moderada) e imágenes RGB y multiespectrales procedentes de un vuelo UAV (resolución espacial muy alta). Se ha encontrado que los productos multiespectrales UAV tenían mejor rendimiento para estimar la variación del impacto del fuego en el suelo que los productos RGB, estando más relacionados con índices multi-integrados (es decir, CBSI) que con indicadores individuales (Artículo I). La profundidad y la cobertura de cenizas fueron los indicadores más representativos de los efectos del fuego en los suelos. La inclusión de datos de teledetección espacial y espectral mejorados mediante técnicas novedosas de teledetección, como la fusión de imágenes de Sentinel-2 y UAV, mejoró significativamente la predicción de las propiedades del suelo sensibles al fuego, relacionadas en gran medida con la severidad, principalmente el SOC (Artículo II). Este enfoque proporciona una herramienta importante para estimar los impactos del fuego en paisajes complejos y heterogéneos afectados por incendios de severidad mixta, y, en consecuencia, para identificar áreas prioritarias donde se deben implementar acciones de restauración posteriores al incendio. Una vez que se caracterizó adecuadamente el impacto ecológico potencial de los incendios forestales de alta severidad, se estudió que cambios del régimen de incendios pueden dirigir el comportamiento extremo del fuego, aspecto que se ha evaluado a lo largo de un gradiente climático Atlántico-Transición-Mediterráneo en la Península Ibérica (Artículo III), caracterizado por la ocurrencia de eventos extremos de incendios forestales en los últimos años. Con este propósito, se analizaron (i) los patrones de variación de los atributos temporales (recurrencia y tiempo desde el último incendio) y de magnitud (severidad de la quema) del régimen de incendios durante 35 años, utilizando para ello los perímetros históricos de incendios forestales derivados de la colección de imágenes de satélite Landsat, y (ii) la relación entre el régimen de incendios y las características de la vegetación previas al incendio que controlan el comportamiento extremo del fuego. Se seleccionaron ocho incendios extremos que ocurrieron durante el período 2017-2022, en los cuales se caracterizó tanto (i) el tipo y la estructura de los combustibles previos al incendio mediante técnicas de clasificación de imágenes y modelos de transferencia radiativa (RTMs), como (ii) el impacto ecológico a través del índice de Severidad de Diferencia Normalizada (dNBR) derivado de imágenes bitemporales del sátelite Sentinel-2 MSI. La recurrencia de incendios mostró la misma tendencia descendente en el tiempo a lo largo del gradiente climático, pero los patrones temporales de la severidad diferían significativamente entre las áreas Atlánticas y Mediterráneas. Los cambios observados en los atributos del régimen de incendios tuvieron una influencia notable en la formación de tipos de combustibles y en los patrones de acumulación en el paisaje propicios para el comportamiento extremo del fuego, pero siguiendo distintas vías en función del contexto ambiental. En las áreas Atlánticas, los incendios recurrentes de baja a moderada severidad pueden promover transiciones forestales hacia estados estables de matorrales propensos a retroalimentaciones de alta severidad en incendios posteriores. Un patrón similar se observó en los matorrales Mediterráneos y de Transición después de la ocurrencia repetida de incendios de alta severidad. En todas las condiciones climáticas, un largo periodo de tiempo transcurrido desde el último incendio de alta severidad puede favorecer la acumulación de combustibles en bosques de coníferas y matorrales, los cuales son altamente propensos al comportamiento extremo del fuego. Por último, se ha ampliado el conocimiento científico generado sobre los contextos biológicos que definen el comportamiento extremo del fuego en áreas de interfaz urbano-forestal con el fin de identificar los escenarios propensos a una alta severidad en las áreas de WUI debido a la creciente preocupación sobre las implicaciones socioeconómicas y ambientales (Artículo IV). Con este propósito, se eligieron catorce grandes incendios forestales ocurridos entre 2016 y 2021 en toda España que abarcaron diferentes tipologías de áreas de WUI. Utilizando criterios de densidad y distancia entre edificios se diferenciaron áreas de WUI aisladas, dispersas, densas y muy densas, así mismo, se estimaron varias características de combustibles previos al incendio dentro de las áreas de WUI, para lo cual se utilizaron imágenes de satélite multiespectrales, siguiendo la metodología utilizada en el Artículo III. El efecto combinado de los patrones de combustibles previos al incendio y la densidad de edificios se utilizó para identificar los escenarios de WUI más propensos al comportamiento extremo del fuego. Las tipologías de WUI con edificios aislados, dispersos y agrupados de manera dispersa, rodeados de un denso matorral, fueron las que presentaron el mayor riesgo de incendio. Además, las áreas WUI dominadas por árboles dispersos con un sotobosque de matorral denso y continuo constituyeron otra tipología crítica propensa a impactos severos por incendios. Se ha puesto de relieve el papel de la gestión del combustible antes de los incendios para minimizar el riesgo para las vidas humanas y los bienes, en particular bajo la creciente presión humana en las zonas WUI. Los resultados obtenidos en esta Tesis Doctoral permiten predecir escenarios prioritarios para una planificación efectiva del uso del suelo, estrategias de prevención y gestión de incendios forestales, educación comunitaria y esfuerzos colaborativos en áreas WUI, lo cual es esencial para abordar los desafíos planteados por los incendios forestales de nueva generación a la población en las zonas rurales. Se destaca que la reducción de tipos de combustibles homogéneos, en particular los combustibles de matorral alrededor de áreas de WUI aisladas y dispersas, debe ser una línea de intervención prioritaria. Estas acciones deben centrarse en romper la continuidad horizontal de los combustibles y fomentar el desarrollo de mosaicos paisajísticos diversos para promover la resistencia y la capacidad de recuperación frente al fuego. Esto se puede lograr apoyando actividades sostenibles y tradicionales, como el pastoreo extensivo de ganado o acciones silvícolas, lo cual es esencial para la fijación de la población en áreas sociológicamente relevantes como las áreas WUI.

[EN] In recent decades, anthropogenic activity has caused remarkable changes in the fire regime attributes in the western Mediterranean Basin, mainly due to the loss of traditional land use derived from rural abandonment, climate change and the absence of adequate forest management strategies, leading to a dense and continuous accumulation of fire-prone biomass. The new fire regime, characterized by an increase in the frequency of extensive and severe wildfires, affects important ecosystem functions and services, with unprecedented impacts at socioeconomic level. This fact is particularly relevant in wildland urban interface (WUI) areas, where extreme wildfires represent a serious threat to human life and assets. In this context, spatial characterization of fire-induced impact, commonly referred to as burn severity, is crucial to provide scientific basis to design appropriated forest management strategies that enhance adaptive responses to current fire regimes. Field methods are considered highly trustworthy for assessing the impacts on vegetation and soils in burned landscapes, though they often lack spatial exhaustiveness to evaluate large wildfires. Therefore, remote sensing methods have emerged as reliable tools for monitoring and quantifying burn severity because of their cost-effectiveness and synoptic nature. In this context, the main objective of this PhD Thesis is the development of new multiscale remote sensing techniques aimed to identify spatial indicators of fire-induced ecological impacts and evaluate the drivers of extreme wildfire behavior under different fire regimes along an Iberian climatic gradient, with particular focus in WUIs due to their high socioeconomic vulnerability. First, we aimed to improve the estimation of burn severity in forest soils, which are critical ecosystem compartments driving ecosystem functions and processes, by linking ecological indicators of burn severity with the spectral signal of very high spatial resolution remote sensing products obtained with unmanned aerial vehicles (UAV) (Articles I & II). Soil burn severity was assessed in the field 1-month after a wildfire through a Composite Burn Soil Index (CBSI) and, a set of individual indicators (ash depth, ash cover, fine debris cover, coarse debris cover and unstructured soil depth). Furthermore, indicative soil properties of fire-induced changes were analyzed: mean weight diameter (MWD), soil moisture content (SMC), and soil organic carbon (SOC). Simultaneously, post-fire multispectral images from the Sentinel-2A MSI satellite sensor, and RGB and multispectral images from a UAV survey were collected. We found that UAV multispectral products had a better performance than RGB products for estimating fire impacts on soils, being more related to integrative indices (ie., CBSI) than to individual indicators (Article I). Depth and ash cover were the most representative indicators of fire effects on soils. The inclusion of spatially and spectrally enhanced remote sensing data through novel remote sensing techniques, such as the fusion of Sentinel-2 and UAV images, significantly improved the prediction of fire-sensitive soil properties highly related to burn severity, mainly SOC (Article II). This approach provides a powerful tool for estimating fire impacts in complex and heterogeneous landscapes affected by mixed severity wildfires, and consequently to identify priority areas where post-fire restoration actions need to be implemented. Once the potential ecological impact of high severity wildfires has been adequately characterized using new remote sensing techniques, we studied fire regime shifts conducive to extreme fire behavior along an Atlantic-Transition-Mediterranean climatic gradient in the Iberian Peninsula, characterized by the occurrence of extreme wildfire events in the last few years. For this purpose, we analyzed (i) the variation patterns of temporal (recurrence and time since last fire) and magnitude (burn severity) fire regime attributes over 35-years using historical wildfire scars derived from Landsat satellite imagery collection, and (ii) the link between fire regime and pre-fire vegetation characteristics controlling extreme fire behavior. We selected eight extreme wildfires occurring during the period 2017-2022, in which we characterized both (i) the pre-fire fuel type and structure by means of image classification techniques and radiative transfer models (RTMs), and (ii) the ecological impact through the differenced Normalized Burn Ratio (dNBR) derived from bi-temporal Sentinel-2 MSI images. Fire recurrence showed the same downward trend along the climatic gradient, burn severity trends significantly differed among Atlantic and Mediterranean areas. The observed shifts in fire regime attributes had a remarkable influence in shaping fuel types and build-up patterns in landscapes prone to extreme fire behavior along the climate gradient but following distinct pathways as a function of the environmental context. In Atlantic areas, recurrent wildfires of low to moderate severity may foster forest transitions to shrubland stable states prone to high burn severity feedback in subsequent wildfires. A similar pattern was observed in Mediterranean and Transition shrublands after the recurrence of high burn severity wildfires. Under all climatic conditions, long times since the last high-severity wildfires may enhance fuel build-up in conifer forests and shrublands highly prone to extreme fire behavior. Finally, we broadened the generated knowledge about the biophysical contexts shaping extreme fire behavior in wildland urban interface areas to identify the scenarios prone to high burn severity in WUI areas due the growing concern about the socio-economic and environmental implications (Article IV). For this purpose, we chose fourteen large wildfires occurred between 2016 and 2021 across Spain that encompassed different WUI typologies. Density and distance between buildings criteria was used to differentiate isolated, scattered, dense and very dense WUIs, while several pre-fire fuel characteristics inside WUI areas were estimated through multispectral satellite imagery, following the methodology used in the Article III. Then, the combined effect of pre-fire fuel and building density patterns was used to recognize the WUI scenarios most prone to extreme fire behavior. Isolated, scattered and sparsely clustered buildings enclosed in a dense shrub matrix were the WUI typologies with the highest fire hazard. Additionally, WUIs dominated by sparse trees with a dense and continuous shrubby understory constituted another critical typology prone to severe fire impacts. We highlighted the role of pre-fire fuel management to minimize the risk to human lives and assets, particularly under increasing human pressure in WUI areas. The results obtained in this PhD Thesis allowed to predict priority scenarios for effective land use planning, wildfire prevention and management strategies, community education, and collaborative efforts in WUI areas, which are essential to address the challenges posed by new-generation wildfires to population in rural areas. We emphasize that the reduction of homogeneous fuel types, particularly shrub fuels around isolated and dispersed WUIs must be a priority intervention line. These actions should focus on breaking the fuel horizontal continuity and encouraging the development of diverse landscape mosaics to foster resistance and resilience to fire. This target can be achieved by supporting sustainable and traditional activities such as extensive livestock grazing or silvicultural actions by work crews, which is essential for population fixation in sociologically relevant areas such as WUIs.