L'App QUIFER de l'ICGC guanya l’ESA Space App Camp 2020


==<big>QUIFER: l’aplicació per a la detecció d’explotació d’aqüífers mitjançant imatges de satèl·lit i Intel·ligència Artificial, guanyadora de l’ESA Space App Camp 2020. B#38|21/03/2121</big>==
El passat 21 de Setembre es van donar a conèixer els guanyadors del Space App Camp 2020, un concurs de l’Agència Espacial Europea (ESA) enfocat al desenvolupament d’aplicacions de teledetecció per mòbils i tauletes. Durant 10 dies els participants de les propostes finalistes es van dedicar al desenvolupament d’una ''app'' que utilitzés imatges dels satèl·lits d’observació de la Terra del programa Copernicus i tècniques d’Intel·ligència Artificial (IA). El guanyador, tant de la categoria general com de la categoria especial d’aquesta convocatòria dedicada a la temàtica d’agricultura, ha sigut l’equip català format pels tècnics de l’Institut Cartogràfic i Geològic de Catalunya (ICGC), Vicenç Palà, Luca Pipia i Òscar Mora, i el Doctorant Industrial entre l’ICGC i el grup de recerca [mailto:DataScience@UB DataScience@UB] de la Universitat de Barcelona (UB), Carlos García. Dels més de 55 equips inicials de diferents països van ser finalment seleccionats 5 per a la fase final del concurs, d’on va sortir guanyador l’equip català.[[File:ICGC quifer equip.png|center|thumb]]
<span id="_GoBack"></span><div class="center" style="width: auto; margin-left: auto; margin-right: auto;">
''Equip guanyador del Space App Camp 2020. D’esquerra a dreta, Carlos García ([mailto:DataScience@UB DataScience@UB] i ICGC), Luca Pipia, Vicenç Palà i Òscar Mora (Institut Cartogràfic i Geològic de Catalunya).''</div>

El jurat d’experts va valorar molt positivament que la proposta anomenada '''QUIFER''', acrònim d’''a'''''Q'''''uifer s'''''U'''''rveillance by Sent'''''I'''''nel-1 Inter'''''FER'''''ometry'', es basava en la utilització d’imatges de satèl·lit del programa Copernicus, l’ús de tècniques d’IA, i sobre tot, el fet que la idea proposada fos innovadora, útil i pràctica per a la societat. En el cas de QUIFER el seu objectiu és detectar zones afectades per l’explotació d’aqüífers mitjançant sèries temporals d’imatges de satèl·lit.

===QUIFER===
Les dades d’entrada de QUIFER provenen dels satèl·lits radar Sentinel-1A i B de l’ESA, que orbiten la terra adquirint imatges d’una mateixa zona cada 6 dies. Per exemple, tot el territori català pot ser cobert amb l’extensió de només dues imatges dels satèl·lits Sentinel-1. Aquesta gran cobertura dels satèl·lits permet monitoritzar tot un territori com el català des d’una aplicació com QUIFER. Les series temporals d’imatges Sentinel-1 son tractades mitjançant una metodologia anomenada ''Persistent Scatterer Interferometry (PSI)'' que permet mesurar amb precisió mil·limètrica el moviment de la superfície terrestre. Aquesta tècnica, que ja ha estat utilitzada durant els últims anys per mesurar els moviments a la superfície causats per la construcció de túnels, esllavissades o terratrèmols és la que fa servir QUIFER per detectar la presència d’activitat d’extracció d’aigües subterrànies. Per tant, QUIFER no proveeix només informació sobre l’ús d’aigua, sinó que també indica el nivell de moviment del terreny, que és molt interessant sobretot en zones urbanes i d’infraestructures. Aquests moviments deguts a l’explotació dels aqüífers poden estar afectant edificacions, on amb el pas dels anys podrien aparèixer esquerdes i danys que haurien estat evitats amb un bon ús dels pous d’extracció.

Els recursos hídrics representen un factor clau pel que fa a la conservació del medi ambient i el nostre entorn, i el control de l’explotació de les aigües subterrànies presents als aqüífers és de vital importància. Una explotació excessiva pot venir causada per diversos actors, tals com usuaris particulars, agricultors, zones d’oci, esportives o d’activitat turística o d’altres usos del sol. L’extracció, a més de buidar d’aigua el subsòl, pot provocar una deformació de la superfície, que és la informació que fa servir QUIFER per detectar de forma remota l’explotació d’aigua dels aqüífers.

Durant els períodes més secs de l’estiu, quan es fa un ús intensiu dels pous, els aqüífers es van buidant d’aigua, i això produeix en molts casos una baixada del nivell del terreny, anomenada tècnicament subsidència. Aquests moviments són normalment d’uns mil·límetres o centímetres, imperceptibles per la població, però no pels satèl·lits radar Sentinel-1. Quan arriba l’època més plujosa i es redueix l’extracció d’aigua, els aqüífers es tornen a omplir i la superfície puja cap al seu estat anterior. En altres paraules és com si la superfície tingués un procés de respiració, buidant-se a l’estiu i tornant a omplir-se durant l’hivern, seguint un cicle anual. El principal problema es produeix quan la descàrrega de l’estiu no es veu compensada per la recàrrega d’aigua de l’hivern, ja que s’ha extret una quantitat superior de la que es pot recuperar amb les pluges. En aquest cas estem en un cas de sobreexplotació de l’aqüífer, i la superfície del terreny presenta una tendència a baixar any rere any.

<div class="center" style="width: auto; margin-left: auto; margin-right: auto;">
 [[File:ICGC quifer img1.png|450x450px]] </div>

<div class="center" style="width: auto; margin-left: auto; margin-right: auto;">
''Exemple de sèrie temporal de moviment de la superfície (en mm) associada amb l’explotació d’aqüífers entre 2016 i 2020.''</div>

Aquest procés de “respiració” de la superfície és el que detecta automàticament l’aplicació QUIFER per fer el monitoratge de l’explotació d’aqüífers. Amb les dades PSI del moviment de la superfície es disposa de milions de punts de mesura sobre el territori català. La majoria d’aquests punts són estables, és a dir, que no presenten patrons de moviment apreciables, però n’hi ha un percentatge que correspon a fenòmens de moviment de diferent natura, que poden ser antròpics, tals com construccions, extraccions d’aigua o explotacions mineres, o naturals com esllavissades o terratrèmols. És aquí on entra la Intel·ligència Artificial (IA)per detectar aquells punts que presenten un patró de moviment coherent amb el procés d’explotació dels aqüífers dintre dels milions de punts de mesura a tot el territori. És una tasca molt complexa, amb una gran quantitat d’informació, i l’IA és una eina perfecte per solucionar-ho.

El primer pas de QUIFER és la depuració de les sèries temporals de moviment, ja que per a una millor detecció es necessita minimitzar el nivell de soroll de les estimacions del moviment. L’equip de QUIFER ha desenvolupat aquesta tasca mitjançant un procés anomenat regressió de Processos Gaussians (GPR), que redueix les incerteses de les mesures dels satèl·lits Sentinel-1. Posteriorment, tots els punts de mesura sobre Catalunya són analitzats i classificats mitjançant l’algorisme d’IA Support Vector Machine (SVM), que és capaç de decidir quins punts de mesura del territori corresponen a zones afectades per explotació d’aqüífers i quins no. Aquesta és una tasca que un tècnic trigaria anys a realitzar analitzant els milions de punts disponibles, però un sistema d’IA triga pocs minuts amb una precisió molt elevada d’encert.

<div class="center" style="width: auto; margin-left: auto; margin-right: auto;">
 [[Image:Draft_Gil Riba_568349020-image6.png|600px]] </div>

<div class="center" style="width: auto; margin-left: auto; margin-right: auto;">
''Diagrama de blocs de l’app QUIFER.''</div>

La informació de la solució aportada per QUIFER permet, d’una manera molt intuïtiva, que els experts o professionals dedicats a la gestió de l’aigua puguin prendre decisions relatives a l’explotació dels aqüífers. Aquesta informació es presenta sobre un mapa interactiu on es mostren els punts on s’ha detectat una explotació de l’aqüífer, els punts on no existeix aquesta problemàtica i la posició dels pous declarats a Catalunya per l’Agència Catalana de l’Aigua (ACA). Efectivament, aquesta és una eina molt interessant per detectar explotacions il·legals d’aigua, ja que en aquelles zones on QUIFER detecta explotacions i no hi ha pous declarats, amb molta probabilitat hi ha una extracció il·legal d’aigua del subsòl.

<div class="center" style="width: auto; margin-left: auto; margin-right: auto;">
 [[Image:Draft_Gil Riba_568349020-image7.png|402px]] </div>

<div class="center" style="width: auto; margin-left: auto; margin-right: auto;">
''Exemple de funcionament de QUIFER. Els punts blaus es corresponen a pous declarats per l’ACA, els grocs son punts de mesura sense detecció d’explotació d’aqüífers, i els vermells son aquells on s’ha detectat un ús intensiu d’aigües subterrànies.''</div>

===QUIFERO===
L’èxit de l’equip català no es va limitar a l’aplicació QUIFER, sinó que la seva bessona '''QUIFERO''', per ''a'' '''Q'''''uifer s'''''U'''''rveillance by Sent'''''I'''''nel-1 Inter'''''FER'''''ometry for cr'''''O'''''ps'', va resultar també guanyadora del premi especial en temàtica d’agricultura en honor a l’ex-treballador de l’ESA Luigi Fusco, copant així tots els premis de l’Agencia Espacial Europea. En aquest cas, QUIFERO fa ús també d’imatges dels satèl·lits òptics Sentinel-2 per estimar el nivell de vigorositat dels cultius durant la seva època de reg, i així creuar aquesta informació amb la detecció que fa QUIFER. Això genera un nou producte més orientat cap a la gestió i anàlisi dels recursos hídrics en l’agricultura, permetent la identificació de potencials camps de cultiu on s’estigui fent un ús intensiu de l’aigua.

=== Per saber-ne més ===
[mailto:icgc@icgc.cat Àrea d'Observació de la Terra- Institut Cartogràfic i Geològic de Catalunya]