Formacin SIG

10. Introduccin a la teledeteccinFlorent DEMORAESMarc SOURIS

Crdito imgenes: Julie VALLE y Vincent HERBRETEAUTraduccinFlorent DEMORAES

ContenidoTeledeteccin : Definicin Proceso de teledeteccinRadiacin electromagntica Interaccin de los elementos de la superficie terrestre con la radiacinLos satlitesLos sensoresResolucin de imgenesLa imagen numricaImgenes satelitales: ejemplosCorrecciones de imagenTcnicas de filtrado espacialTratamientos de imagen: ndices y neo-canalesClasificacinAplicaciones

Teledeteccin : definicinCiencia y arte de obtener informacin acerca de la superficie de la Tierra sin entrar en contacto con ella. Esto se realiza detectando y grabando la energa emitida o reflejada y procesando, analizando y aplicando esa informacin.

Proceso de teledeteccinEl proceso de teledeteccin involucra una interaccin entre la radiacin incidente y los objetos de inters. Un ejemplo de este proceso, con el uso de sistemas de captura de imgenes puede verse en la siguiente figura.A. Fuente de energa o iluminacinB. Radiacin y la atmsferaC. Interaccin con el objetoD. Deteccin de energa por el sensorE. Transmisin, Recepcin y ProcesamientoF. Interpretacin y anlisisG. Aplicacin

Radiacin electromagntica Dada la importancia que la radiacin electromagntica tiene como transmisor de informacin en todas las formas de teledeteccin, es necesario hacer un estudio de la misma y sus propiedades.

El conjunto de las longitudes de onda que puede adoptar la radiacin se denomina espectro electromagntico. Por razones prcticas se suele dividir en una serie de regiones debido a que las longitudes de onda dentro de esas regiones presentan cierta homogeneidad en determinados aspectos.

Radiacin electromagntica El espectro visible representa una pequea porcin del total del espectro electromagntico.

Las longitudes de ondas visibles se extienden de 0,4 0,7 m. Es la nica parte del espectro que podemos asociar con colores.

Morado : 0.4 - 0.446 m Azul : 0.446 - 0.500 m Verde: 0.500 - 0.578 m Amarillo : 0.578 - 0.592 m Naranja : 0.592 - 0.620 m Rojo : 0.620 - 0.7 m longitudes de ondas

Interaccin de los elementos de la superficie terrestre con la radiacinCada tipo de material, suelo, vegetacin, agua, etc. reflejar la radiacin incidente de forma diferente lo que permitir distinguirlo de los dems si se mide la radiacin reflejada. El grfico que, para cada longitud de onda, da la reflectividad se conoce como signatura o firma espectral y constituye una marca de identidad de los objetos.En el caso de la radiacin visible, las diferencias en cuanto a la reflexin para las diferentes longitudes de onda se traduce en lo que llamamos colores. Un objeto es verde si refleja la radiacin solar preferentemente en esta zona del espectro.

La trayectoria de un satlite alrededor de la Tierra se la denomina rbita. Existen dos tipos de satlites, los geosncronos o geoestacionarios y los heliosncronos.

Geoestacionarios: Se sitan sobre la lnea ecuatorial en una rbita a 36000 Km de la Tierra. Permanecen siempre en la vertical de un punto determinado acompaando a la Tierra en su movimiento de rotacin. Observacin continua de una misma regin. Ex: Los satlites de comunicacin y observacin meteorolgica.

HeliosncronosSe desplazan en rbitas generalmente circulares y polares (el plano de la rbita es paralelo al eje de rotacin de la Tierra) de modo que, aprovechando el movimiento de rotacin terrestre, puede captar imgenes de diferentes puntos cada vez que pase por el mismo punto de la rbita. Estas rbitas slo son posibles entre 300 y 1500 Km de altura. La rbita se disea de forma que el satlite pasa siempre sobre el mismo punto a la misma hora local.Los satlites

Un sensor es el aparato que rene la tecnologa necesaria para adquirir imgenes a distancia y que es transportado en una plataforma. Puede captar informacin para diferentes regiones del espectro y cada una de estas regiones se denomina canal o banda.Los sensores Dos tipos de sensores: Activos : generan su propia radiacin y la reciben rebotada radar lidar (basado en tecnologa lser). Pasivos : reciben radiacin emitida o reflejada por la Tierra fotogrficos, ptico-electrnicos que combinan una ptica y un sistema de deteccin electrnica (detectores de barrido y empuje) como SPOT espectrmetros de imagen y de antena (radimetros de microondas).

La salida de radiacin (emitida o reflejada) de la superficie terrestre es un fenmeno continuo en 4 dimensiones (espacio, tiempo, longitud de onda y radiancia). Por lo tanto se define:

la resolucin espacial: tamao de pxel. la resolucin espectral: indica el nmero y anchura de las regiones del espectro para las cuales capta datos el sensor. la resolucin radiomtrica: nmero de intervalos de intensidad que pueden captarse. la resolucin temporal: tiempo que transcurre entre dos imgenes.Resolucin de imgenes

Los sensores convierten los valores de reflectividad en valores numricos tambin llamados valores radiomtricos que se extienden entre 0 y 255. Estos valores son almacenados en matrices compuestas de pxeles (generalmente cuadrados). Existe una matriz por banda. El pxel se define a travs de su posicin (fila/columna) y su valor.La imagen numrica

Matriz de imagen numricaValores radiomtricos entre 0 y 255:0 (0% de reflectividad): Negro255 (100% reflectividad): Blanco

Estas matrices de valores radiomtricos se pueden visualizar:En matices de grisEn composiciones coloreadas (mediante una combinacin de varias bandas)Muestreo de valores radiomtricos para una banda espectral dada

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Imagen Spot 5 del 23/11/2003Imgenes satelitales: ejemplos

Imgenes satelitales: ejemplospancromticoMultiespectral: composicin coloreadaImagen Spot 5 del 23/11/2003

Imgenes satelitales: ejemplosImagen Landsat (Tailandia)

Oil tanker sinking off Rio de Janeiro, IKONOS Pan: 1 meter resolution (15/10/2002) (Source: NASA)Imgenes satelitales: ejemplos

Spaceborne Imaging Radar- bands C & X - Synthetic Aperture Radar Phu Kradung in northeastern Thailand (03/10/1994) (Source: NASA)Imgenes satelitales: ejemplos

Una imagen de satlite est sometida a una serie de interferencias que hacen que la informacin que quiere obtenerse aparezca perturbada por una serie de errores. Fallos en los sensores, generan pxeles incorrectos (correccin radiomtrica)

Alteraciones en el movimiento del satlite y el mecanismo de captacin, generan distorsiones en la imagen global (correccin geomtrica)

Interferencias de la atmsfera, alteran de forma sistemtica los valores de los pxeles (correccin atmosfrica).

Correcciones de imagen

Mtodos para resaltar o suprimir, de forma selectiva, informacin contenida en una imagen a diferentes escalas espaciales, para destacar algunos elementos de la imagen, o tambin para ocultar valores anmalos.

Los filtros ms utilizados son los de paso bajo (suavizan la imagen), de paso alto (aumentan el contraste), los filtros direccionales (detectan en la imagen estructuras que siguen una determinada direccin) y los de deteccin de bordes (permiten identificar y aislar objetos con propiedades homogneas dentro de la imagen).

Tcnicas de filtrado espacial

El proceso de filtrado consiste en la aplicacin a cada uno de los pxeles de la imagen de una matriz de filtrado de tamao N x N (ventana mvil generalmente de 3x3 aunque puede ser mayor) compuesta por nmeros enteros y que genera un nuevo valor mediante una funcin del valor original y los de los pxeles circundantes. El resultado final se divide entre un escalar, generalmente la suma de los coeficientes de ponderacin.

Tcnicas de filtrado espacial

Tcnicas de filtrado espacialFiltro de paso bajo: eliminacin del efecto borroso (filtro de la mediana)

Deteccin de contornos (filtro Prewitt)Tcnicas de filtrado espacial

Deteccin de contornos (filtro Laplaciano)Tcnicas de filtrado espacial

Cuando interesa detectar algn aspecto especfico de la superficie terrestre, pueden utilizarse ndices que utilicen algunas de las bandas.

ndices de vegetacin: son calculados a partir de la reflectividad en diferentes bandas. Indican la abundancia y estado de la vegetacin. Se basan en el comportamiento reflectivo peculiar de la vegetacin.

La signatura espectral caracterstica de la vegetacin sana muestra un fuerte contraste entre la baja reflectividad en el rojo (0,6 0,7) y la alta reflectividad en el infrarrojo de longitud de onda ms corta (0:7 1,1). Esta diferencia es tanto mayor cuanto mayor es la densidad de la vegetacin y mejor su estado fitosanitario.

Tratamientos de imagen: ndices

En esta idea se basan la mayor parte de los ndices de vegetacin. El ms conocido es el ndice Normalizado de Vegetacin (NDVI) cuya ecuacin es:

donde ir es la reflectividad en el infrarrojo cercano (banda 4 de landsat TM) y r es la reflectividad en el rojo (banda 3 de landsat TM).Tratamientos de imagen: ndices

En una imagen de satlite se dispone de varias bandas que corresponden a diversas regiones del espectro electromagntico. En muchos casos algunas de estas bandas corresponden a las subregiones del visible que corresponden a los colores azul, verde y rojo.

Por otra parte, los monitores y tarjetas de video disponen de 3 canales para representar los 3 colores bsicos. Por tanto puede utilizarse cada canal para representar los valores de los pxeles de una banda y obtener as una composicin de color.Tratamientos de imagen: neo-canales

La composicin de color ms obvia sera simular el color real, asumiendo que estamos trabajando con Landsat:

b1 -> Bb2 -> Gb3 -> R

pero como se dispone de ms bandas, nada impide utilizarlas para generar visualizaciones en falso color. Estas composiciones sirven para resaltar los elementos que mayor reflectividad presentan en las bandas utilizadas, adems de obtener visualizaciones ms o menos estticas. As es ms fcil discriminar visualmente los elementos.Tratamientos de imagen: neo-canales

A partir de las bandas espectrales 3-2-1 (Landsat TM), se puede generar una composicin coloreada. En este caso, el resultado se correspondera aproximadamente con una foto obtenida con pelcula color. No obstante persiste la dificultad de desglose de especies forestales. Tratamientos de imagen: neo-canales

La misma escena pero en una composicin RGB de las bandas 4(infrarrojo cercano), 5 (infrarrojo medio) y 3 (rojo del espectro visible). La radiacin reflejada en estas regiones del espectro, contieneinformacin de suma trascendencia. En este caso no slo se puede diferenciar claramente especies forestales, sino que tambin se puede, contando con algunos datos de referencia de campo, sacar conclusiones acerca de la edad y variabilidad de manejo inherentes a cada especie arbrea en particular.Tratamientos de imagen: neo-canales

La clasificacin responde a la idea de que pueden establecerse lmites precisos entre las respuestas espectrales de unos pxeles y otros, siendo estos lmites los que definen las clases.

La clasificacin en teledeteccin es, por tanto, un caso particular del problema general de clasificar N individuos (pxeles) procedentes de una muestra en un conjunto de M < N clases en funcin de una serie de k variables (X1, X2,...,Xk). Este problema se resuelve en dos fases:

1. Determinacin del nmero de clases y de las propiedades de estas en relacin a las k variables

2. Asignar cada uno de los N individuos a una de las M clases utilizando una regla de decisin basada en las propiedades de los individuos y las clases en relacin a las k variables.Clasificacin

La determinacin de las clases puede hacerse mediante dos criterios: la clasificacin supervisada y la clasificacin no supervisada.

1. Clasificacin supervisada: se basa en la disponibilidad de reas de entrenamiento. Se trata de reas de las que se conoce a priori la clase a la que pertenecen y que servirn para generar una signatura espectral caracterstica de cada una de las clases. Las reas de entrenamiento deben ser lo ms homogneas posibles y en las que sepamos lo que haba el da que se tom la imagen. Por ello esta operacin (levantamiento in situ) se realiza el mismo da en el que el satlite toma la imagen y luego se compra esta. Otra posibilidad es utilizar fotografa area o informacin de otro tipo.Clasificacin

1. Clasificacin supervisada (continuacin): en la figura siguiente se observa la caracterizacin espectral de un conjunto de clases de uso de suelo definidas a partir de los valores de reflectividad en las diferentes bandas de landsat MSS.Clasificacin

2. Clasificacin no supervisada. No se establece ninguna clase a priori, aunque es necesario determinar el nmero de clases que queremos establecer, y dejar que las defina un procedimiento estadstico basado en algoritmos de clasificacin automtica multivariante en los que los individuos ms prximos se van agrupando formando clases. Uno de los ms habituales en teledeteccin es el agrupamiento jerrquico (ISODATA). Este consta de N pasos siendo N el nmero total de individuos a clasificar.Clasificacin

No estadsticos (rboles de decisin, mnima distancia, paraleleppedos)

Estadsticos clsicos (mxima verosimilitud o mxima probabilidad)

Algoritmos basados en inteligencia artificial (lgica borrosa, redes neuronales)

Algoritmos que utilizan informacin contextualClasificacin Luego de la creacin de las clases, se debe asignar cada uno de los individuos (pxeles) a las clases. Existen diferentes procedimientos:

Dos posibilidades:

evaluar una estimacin terica del error en funcin de las caractersticas del algoritmo de clasificacin,

analizar una serie de reas test obtenidas del mismo modo que las reas de entrenamiento.

El segundo modo de proceder permite obtener una estimacin ms realista de los errores mientras la muestra de pxeles para la estimacin del error sea lo suficientemente grande y representativo.Clasificacin: evaluacin de los errores y validacin

Planificacin territorial Actualizacin de fondos cartogrficos Seguimiento de la evolucin de la mancha urbana Manejo de riesgos de origen natural Seguimiento medioambiental Previsin meteorolgicas, anlisis hidrolgicos Manejos forestal y agrcola Prevencin de incendios Gestin costera y pesquera Prospeccin geolgica, minera y recursos naturales Epidemiologa espacial

La teledeteccin y sus aplicaciones

Manual de referencia de ERDASS Manual de referencia de IDRISI Francisco A. Sarria http://ceagi.org/portal/node/8 http://concurso.cnice.mec.es/cnice2006/material121/ http://www.eduspace.esa.int/eduspace/main.asp?ulang=es http://ceagi.org/teledetec/Paginas/Inicio.htm

Referencias

Fin