Beach Morphology and its Dynamism from Remote Sensing for Coastal Management Support

Abstract

[ES] Las playas son espacios costeros que desarrollan numerosas funciones ambientales. Éstas proporcionan importantes beneficios a la sociedad y a las comunidades costeras, entre las que destacan la función ecológica, el suministro de protección para los territorios costeros y el hecho de que constituyen un recurso básico de la industria turística. De forma ligada al cambio climático, así como a acciones humanas que alteran el dinamismo natural de la costa, las playas están experimentando procesos erosivos cada vez más dañinos que afectan a su integridad física y al mantenimiento de sus funciones.

La gestión de las playas en muchas ocasiones no se encuentra adaptada a las particularidades de los diferentes segmentos costeros. La toma de decisiones no se sustenta en información suficiente sobre las características, el dinamismo y el estado actual de las playas, dando lugar a soluciones cortoplacistas o ineficaces. Las características geomorfológicas son esenciales en el desarrollo de sus funciones al condicionar sus dimensiones físicas y su comportamiento frente a la acción del mar. Por ello, su caracterización de forma detallada y actualizada es necesaria para llevar a cabo acciones eficientes, permitiendo virar hacia una gestión costera más ecosistémica y sostenible.

Las técnicas de teledetección presentan una gran capacidad para la adquisición de datos de la superficie terrestre. En concreto, los satélites Sentinel-2 y Landsat (5, 7 y 8) permiten disponer de forma gratuita imágenes de resolución media con cobertura mundial y alta frecuencia de revisitado. Los algoritmos de extracción de la línea de costa desarrollados recientemente por el Grupo de Cartografia GeoAmbiental y Teledetección (CGAT - UPV) permiten definir sobre estas imágenes la posición de la línea de costa, constituyendo datos potencialmente útiles para describir la morfología de las playas y su dinamismo. Universalizar su aplicación requiere su testeo y validación en diferentes tipos de costa. Para ello, el proceso de extracción ha sido adaptado para su explotación en entornos mareales, y las líneas de costa resultantes han sido evaluadas ante diferentes condiciones oceanográficas ofreciendo una precisión cercana a los 5 m RECM (raíz del error cuadrático medio). Teniendo en cuenta las necesidades de información para la gestión existentes, a partir de estas líneas de costa se propone derivar indicadores que permitan caracterizar la geomorfología de las playas y monitorizar sus cambios. Para ello, las metodologías propuestas aseguran una gestión eficiente de grandes volúmenes de líneas de costa, siendo así capaces de caracterizar las playas cubriendo grandes territorios y periodos de tiempo. Así se derivan el ancho de playa y el tamaño de los granos de sedimento como indicadores objetivos y fácilmente comprensibles de la geomorfología de la playa. La modelización espacio-temporal del estado y los cambios de la línea de costa y de la anchura posibilita monitorizar la respuesta de las playas a temporales y a actuaciones antrópicas, permitiendo analizar los cambios ocurridos cada pocos días hasta cubrir décadas. Su cobertura espacial junto a la integración con otras bases de datos cartográficas permite caracterizar la influencia de la geomorfología de la playa en el desempeño de sus funciones, permitiendo un análisis holístico de la costa a escala regional.

Las metodologías desarrolladas en esta tesis y los indicadores derivados desde la teledetección brindan apoyo para dotar de criterios y priorizar las acciones de los gestores. Se contribuye así a llenar el espacio existente entre la disponibilidad de técnicas para obtener información remota y su aplicación en los procesos de toma de decisiones sobre la costa.

[CA] Les platges són espais costaners que desenvolupen nombroses funcions ambientals. Aquestes proporcionen importants beneficis a la societat i comunitats costaneres, entre les quals destaquen la funció ecològica, el subministrament de protecció per als territoris costaners i el fet que constitueixen un recurs bàsic de la indústria turística. De forma lligada al canvi climàtic, així com a accions humanes que alteren el dinamisme natural de la costa, les platges estan experimentant processos erosius cada vegada més nocius que afecten la seua integritat física i al manteniment de les seues funcions.

La gestió de les platges en moltes ocasions no es troba adaptada a les particularitats dels diferents segments costaners. La presa de decisions no es sustenta en informació suficient sobre les característiques, el dinamisme i l'estat actual de les platges, donant lloc a solucions curtterministes o ineficaces. Les característiques geomorfològiques són essencials en el desenvolupament de les seues funcions en condicionar les seues dimensions físiques i el seu comportament enfront de l'acció de la mar. Per això, la seua caracterització de manera detallada i actualitzada és necessària per a dur a terme accions eficients, permetent virar cap a una gestió costanera més ecosistèmica i sostenible.

Les tècniques de teledetecció presenten una gran capacitat per a l'adquisició de dades de la superfície terrestre. En concret, els satèl·lits Sentinel-2 i Landsat (5, 7 i 8) permeten disposar de manera gratuïta d'imatges de resolució mitjana amb cobertura mundial i alta freqüència de captura d'informació a un mateix punt. Els algorismes d'extracció de la línia de costa desenvolupats recentment pel Grup de Cartografia Geo-Ambiental i Teledetecció (CGAT - UPV) permeten definir sobre aquestes imatges la posició de la línia de costa, constituint dades potencialment útils per descriure la morfologia de les platges i el seu dinamisme. Universalitzar la seua aplicació requereix el seu testatge i validació en diferents tipus de costa. Per a això, el procés d'extracció ha sigut adaptat per a la seua explotació en entorns mareals, i les línies de costa resultants han sigut avaluades davant diferents condicions oceanogràfiques oferint una precisió pròxima als 5 m RMSE (arrel de l'error quadràtic mitjà). Tenint en compte les necessitats d'informació per a la gestió existents, a partir d'aquestes línies de costa es proposa derivar indicadors que permeten caracteritzar la geomorfologia de les platges i monitorar els seus canvis. Per a això, les metodologies proposades asseguren una gestió eficient de grans volums de línies de costa, sent així capaces de caracteritzar les platges cobrint grans territoris i períodes de temps. Així es deriven l'ample de platja i la grandària dels grans de sediment com a indicadors objectius i fàcilment comprensibles de la geomorfologia de la platja. La modelització espai-temporal de l'estat i els canvis de la línia de costa i de l'amplària possibilita monitorar la resposta de les platges a temporals i a actuacions antròpiques, permetent analitzar els canvis ocorreguts cada pocs dies fins a cobrir dècades. La seua cobertura espacial al costat de la integració amb altres bases de dades cartogràfiques permet caracteritzar la influència de la geomorfologia de la platja en l'acompliment de les seues funcions, permetent una anàlisi holística de la costa a escala regional.

Les metodologies desenvolupades en aquesta tesi i els indicadors derivats des de la teledetecció brinden suport per a dotar de criteris i prioritzar les accions dels gestors. Es contribueix així a omplir l'espai existent entre la disponibilitat de tècniques per a obtenir informació remota i la seua aplicació en els processos de presa de decisions sobre la costa.

[EN] Beaches are coastal spaces that perform numerous environmental functions. They provide important benefits to society and coastal communities, including the ecological function, the provision of protection for coastal territories, and constitute a basic resource for the tourism industry. Due to climate change and human actions that alter the natural dynamism of the coast, beaches are experiencing increasingly harmful erosive processes that affect their physical integrity and the maintenance of their ecological functions.

Beach management is often not adapted to the particularities of the different coastal segments. Decision-making is not based on sufficient information about characteristics, dynamism, and current state of beaches, resulting in short or ineffective solutions. Geomorphological characteristics are essential in the development of beach functions as they condition their physical dimensions and their behavior in response to the action of the sea. Therefore, their detailed and updated characterization is necessary to carry out efficient actions, allowing a more ecosystemic and sustainable coastal management.

Remote sensing techniques have a great capacity for acquiring data from the land surface. In particular, Sentinel-2 and Landsat (5, 7, and 8) satellites freely provide medium resolution images with global coverage and high-revisit frequency. The algorithms for extracting the water/land interface recently developed by the Geo-Environmental Cartography and Remote Sensing Group (CGAT - UPV) allow defining the position of the shoreline on these images, constituting potentially useful data to describe beach morphology and dynamics. Universalizing their application requires testing and validation at different coastal types. For this purpose, the extraction process has been adapted for exploitation in tidal environments, and the resulting shorelines have been assessed under different oceanographic conditions offering an accuracy close to 5 m RMSE (Root-Mean-Square Error). From these shorelines, and taking into account the existing information needs for management, it is proposed to derive indicators to characterize the geomorphology of the beaches and to monitor their changes. To this end, the proposed methodologies ensure the efficient management of large volumes of shorelines, being able to characterize the beaches along broad coastal segments and periods. Thus, beach width and sediment grain size are derived as objective and easily understandable indicators of the beach geomorphology. Spatial-temporal modeling of the state and changes of shoreline position and beach width makes it possible to monitor the response to storms and anthropogenic actions, allowing to analyze changes that occur every few days or over decades. The large spatial coverage together with the integration with other cartographic databases allows characterizing the influence of beach geomorphology in the performance of its functions, offering a holistic view of the coast from a regional scale.

The methodologies developed in this thesis and the indicators derived from remote sensing provide support and criteria for prioritizing the actions of managers. This contributes to fill the gap between the availability of techniques to obtain remote information and its application in the coastal decision-making process.