General purpose of GIS by F6PMnDI

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									Formación SIG
10. Introducción a la teledetección


Florent DEMORAES
Marc SOURIS

Crédito imágenes: Julie VALLÉE y Vincent HERBRETEAU


                                                               Traducción
                                                      Florent DEMORAES
Contenido
     Teledetección : Definición
     Proceso de teledetección
     Radiación electromagnética
     Interacción de los elementos de la superficie terrestre con la radiación
     Los satélites
     Los sensores
     Resolución de imágenes
     La imagen numérica
     Imágenes satelitales: ejemplos
     Correcciones de imagen
     Técnicas de filtrado espacial
     Tratamientos de imagen: índices y neo-canales
     Clasificación
     Aplicaciones
Teledetección : definición
    Ciencia y arte de obtener información acerca de la
     superficie de la Tierra sin entrar en contacto con ella. Esto
     se realiza detectando y grabando la energía emitida o
     reflejada y procesando, analizando y aplicando esa
     información.
Proceso de teledetección
    El proceso de teledetección involucra una interacción
     entre la radiación incidente y los objetos de interés. Un
     ejemplo de este proceso, con el uso de sistemas de
     captura de imágenes puede verse en la siguiente figura.


                              A. Fuente de energía o iluminación
                              B. Radiación y la atmósfera
                              C. Interacción con el objeto
                              D. Detección de energía por el sensor
                              E. Transmisión, Recepción y Procesamiento
                              F. Interpretación y análisis
                              G. Aplicación
Radiación electromagnética
   Dada la importancia que la radiación electromagnética tiene como
    transmisor de información en todas las formas de teledetección, es
    necesario hacer un estudio de la misma y sus propiedades.

   El conjunto de las longitudes de onda que puede adoptar la radiación se
    denomina espectro electromagnético. Por razones prácticas 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.
Radiación electromagnética
   El espectro visible representa una pequeña porción del total del espectro
    electromagnético.

   Las longitudes de ondas visibles se extienden de 0,4 à 0,7 μm. Es la
    única parte del espectro que podemos asociar con colores.

     Morado : 0.4 - 0.446 μm
     Azul : 0.446 - 0.500 μm
     Verde: 0.500 - 0.578 μm
     Amarillo : 0.578 - 0.592 μm
     Naranja : 0.592 - 0.620 μm
                                                 longitudes de ondas
     Rojo : 0.620 - 0.7 μm
Interacción de los elementos de la
superficie terrestre con la radiación
    Cada tipo de material, suelo, vegetación, agua, etc. reflejará la
     radiación incidente de forma diferente lo que permitirá distinguirlo de
     los demás si se mide la radiación reflejada. El gráfico 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 radiación
                                                    visible, las diferencias en
                                                    cuanto a la reflexión para las
                                                    diferentes longitudes de onda
                                                    se traduce en lo que llamamos
                                                    colores. Un objeto es verde si
                                                    refleja la radiación solar
                                                    preferentemente en esta zona
                                                    del espectro.
Los satélites

  La trayectoria de un satélite alrededor de la Tierra se la denomina
  “órbita”. Existen dos tipos de satélites, los geosíncronos o
  geoestacionarios y los heliosíncronos.

   Geoestacionarios:
      Se sitúan sobre la línea ecuatorial en una órbita a 36000 Km de la Tierra.
      Permanecen siempre en la vertical de un punto determinado acompañando a la
      Tierra en su movimiento de rotación. Observación continua de una misma región.
      Ex: Los satélites de comunicación y observación meteorológica.

   Heliosíncronos
      Se desplazan en órbitas generalmente circulares y polares (el plano de la órbita
      es paralelo al eje de rotación de la Tierra) de modo que, aprovechando el
      movimiento de rotación terrestre, puede captar imágenes de diferentes puntos
      cada vez que pase por el mismo punto de la órbita. Estas órbitas sólo son
      posibles entre 300 y 1500 Km de altura. La órbita se diseña de forma que el
      satélite pasa siempre sobre el mismo punto a la misma hora local.
Los sensores
   Un sensor es el aparato que reúne la tecnología necesaria para adquirir
  imágenes a distancia y que es transportado en una plataforma. Puede
  captar información para diferentes regiones del espectro y cada una de
  estas regiones se denomina canal o banda.
   Dos tipos de sensores:
     Activos : generan su propia radiación y la reciben
    rebotada
         radar
         lidar (basado en tecnología láser).
     Pasivos : reciben radiación emitida o reflejada por la
    Tierra
         fotográficos,
         óptico-electrónicos que combinan una óptica y un
        sistema de detección electrónica (detectores de
        barrido y empuje) como SPOT
         espectrómetros de imagen y de antena
        (radiómetros de microondas).
Resolución de imágenes

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

   la resolución espacial: tamaño de píxel.
   la resolución espectral: indica el número y anchura de las
  regiones del espectro para las cuales capta datos el sensor.
   la resolución radiométrica: número de intervalos de intensidad
  que pueden captarse.
   la resolución temporal: tiempo que transcurre entre dos
  imágenes.
La imagen numérica

   Los sensores convierten los valores de reflectividad en valores
  numéricos también llamados valores radiométricos que se
  extienden entre 0 y 255. Estos valores son almacenados en
  matrices compuestas de píxeles (generalmente cuadrados).
  Existe una matriz por banda.
   El píxel se define a través de su posición (fila/columna) y su
  valor.
Matriz de imagen numérica
   4   12   11   5   203 225 205 221


   9   8    10   214 221 222 218 219
                                               Valores radiométricos entre 0 y
                                                255:
  12   10   55 212 225 230 244 210
                                                  0 (0% de reflectividad): Negro
   9   8    70 210 220 224 221 220                255 (100% reflectividad): Blanco

  11   7    146 214 218 227 230 219
                                               Estas matrices de valores
   6   122 125 146 222 235 249 231              radiométricos se pueden
  78   114 120 135 138 139 140 146
                                                visualizar:
                                                  En matices de gris
  123 132 135 138 141 132 134 129                 En composiciones coloreadas
                                                   (mediante una combinación de
 Muestreo de valores radiométricos para una        varias bandas)
           banda espectral dada
Imágenes satelitales: ejemplos

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




        pancromático                 Multiespectral: composición coloreada
Imágenes satelitales: ejemplos
              Imagen Landsat (Tailandia)
Imágenes satelitales: ejemplos




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




     Spaceborne Imaging Radar- bands C & X - Synthetic Aperture Radar
    “Phu Kradung” in northeastern Thailand (03/10/1994) (Source: NASA)
Correcciones de imagen

   Una imagen de satélite está sometida a una serie de
  interferencias que hacen que la información que quiere
  obtenerse aparezca perturbada por una serie de errores.
    Fallos en los sensores, generan píxeles incorrectos (corrección
   radiométrica)

    Alteraciones en el movimiento del satélite y el mecanismo de captación,
   generan distorsiones en la imagen global (corrección geométrica)

    Interferencias de la atmósfera, alteran de forma sistemática los valores de
   los píxeles (corrección atmosférica).
Técnicas de filtrado espacial

   Métodos para resaltar o suprimir, de forma selectiva,
  información contenida en una imagen a diferentes escalas
  espaciales, para destacar algunos elementos de la imagen, o
  también para ocultar valores anómalos.

   Los filtros más 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 dirección) y los de detección de bordes
  (permiten identificar y aislar objetos con propiedades
  homogéneas dentro de la imagen).
Técnicas de filtrado espacial

   El proceso de filtrado consiste en la aplicación a cada uno de los píxeles de
  la imagen de una matriz de filtrado de tamaño N x N (ventana móvil
  generalmente de 3x3 aunque puede ser mayor) compuesta por números
  enteros y que genera un nuevo valor mediante una función del valor original y
  los de los píxeles circundantes. El resultado final se divide entre un escalar,
  generalmente la suma de los coeficientes de ponderación.
Técnicas de filtrado espacial
Filtro de paso bajo: eliminación del efecto borroso (filtro de la mediana)
Técnicas de filtrado espacial
Detección de contornos (filtro Prewitt)
Técnicas de filtrado espacial
Detección de contornos (filtro Laplaciano)
Tratamientos de imagen: índices

   Cuando interesa detectar algún aspecto específico de la superficie terrestre,
  pueden utilizarse índices que utilicen algunas de las bandas.


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


   La signatura espectral característica de la vegetación sana muestra un
  fuerte contraste entre la baja reflectividad en el rojo (0,6μ – 0,7μ) y la alta
  reflectividad en el infrarrojo de longitud de onda más corta (0:7μ – 1,1μ). Esta
  diferencia es tanto mayor cuanto mayor es la densidad de la vegetación y
  mejor su estado fitosanitario.
Tratamientos de imagen: índices

   En esta idea se basan la mayor parte
  de los índices de vegetación. El más
  conocido es el Índice Normalizado de
  Vegetación (NDVI) cuya ecuación es:




  donde ρir es la reflectividad en el
  infrarrojo cercano (banda 4 de landsat
  TM) y ρr es la reflectividad en el rojo
  (banda 3 de landsat TM).
Tratamientos de imagen: neo-canales

   En una imagen de satélite se dispone de varias bandas que corresponden a
  diversas regiones del espectro electromagnético. 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 básicos. Por tanto puede utilizarse cada canal para
  representar los valores de los píxeles de una banda y obtener así una
  composición de color.
Tratamientos de imagen: neo-canales

   La composición de color más obvia sería simular el color real, asumiendo
  que estamos trabajando con Landsat:


                                     b1 -> B
                                     b2 -> G
                                     b3 -> R


  pero como se dispone de más 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,
  además de obtener visualizaciones más o menos estéticas. Así es más fácil
  discriminar visualmente los elementos.
Tratamientos de imagen: neo-canales

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

   La misma escena pero en una composición RGB de las bandas 4
  (infrarrojo cercano), 5 (infrarrojo medio) y 3 (rojo del espectro visible). La
  radiación reflejada en estas regiones del espectro, contiene
  información de suma trascendencia. En este caso no sólo se puede
  diferenciar claramente especies forestales, sino que también se puede,
  contando con algunos datos de referencia de campo, sacar conclusiones
  acerca de la edad y variabilidad de manejo inherentes a cada especie
  arbórea en particular.
Clasificación
   La clasificación responde a la idea de que pueden establecerse límites
  precisos entre las respuestas espectrales de unos píxeles y otros, siendo
  estos límites los que definen las clases.

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

     1. Determinación del número de clases y de las propiedades de estas en relación
    a las k variables

     2. Asignar cada uno de los N individuos a una de las M clases utilizando una regla
    de decisión basada en las propiedades de los individuos y las clases en relación a
    las k variables.
Clasificación

   La determinación de las clases puede hacerse mediante dos criterios: la
  clasificación supervisada y la clasificación no supervisada.

     1. Clasificación supervisada: se basa en la disponibilidad de áreas de
    entrenamiento. Se trata de áreas de las que se conoce a priori la clase a la que
    pertenecen y que servirán para generar una signatura espectral característica de
    cada una de las clases. Las áreas de entrenamiento deben ser lo más homogéneas
    posibles y en las que sepamos lo que había el día que se tomó la imagen. Por ello
    esta operación (levantamiento in situ) se realiza el mismo día en el que el satélite
    toma la imagen y luego se compra esta. Otra posibilidad es utilizar fotografía aérea
    o información de otro tipo.
Clasificación

    1. Clasificación supervisada (continuación): en la figura siguiente se observa
   la caracterización 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.
Clasificación
    2. Clasificación no supervisada. No se establece ninguna clase a priori, aunque
   es necesario determinar el número de clases que queremos establecer, y dejar que
   las defina un procedimiento estadístico basado en algoritmos de clasificación
   automática multivariante en los que los individuos más próximos se van agrupando
   formando clases. Uno de los más habituales en teledetección es el agrupamiento
   jerárquico (ISODATA). Este consta de N pasos siendo N el número total de
   individuos a clasificar.
Clasificación
     Luego de la creación de las clases, se debe asignar cada uno de los
    individuos (píxeles) a las clases. Existen diferentes procedimientos:


    No estadísticos (árboles de decisión, mínima
   distancia, paralelepípedos)


    Estadísticos clásicos (máxima verosimilitud o máxima
   probabilidad)


    Algoritmos basados en inteligencia artificial (lógica
   borrosa, redes neuronales)


    Algoritmos que utilizan información contextual
Clasificación: evaluación de los errores y
validación

    Dos posibilidades:


       evaluar una estimación teórica del error en función de las características del
      algoritmo de clasificación,


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


    El segundo modo de proceder permite obtener una estimación más
   realista de los errores mientras la muestra de píxeles para la estimación del
   error sea lo suficientemente grande y representativo.
La teledetección y sus aplicaciones

   Planificación territorial
   Actualización de fondos cartográficos
   Seguimiento de la evolución de la mancha urbana
   Manejo de riesgos de origen natural
   Seguimiento medioambiental
   Previsión meteorológicas, análisis hidrológicos
   Manejos forestal y agrícola
   Prevención de incendios
   Gestión costera y pesquera
   Prospección geológica, minera y recursos naturales
   Epidemiología espacial
Referencias

   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
Fin

								
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