General purpose of GIS

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Formación SIG10. Introducción a la teledetección
Florent DEMORAES Marc SOURIS Crédito imágenes
Julie VALLÉE y Vincent HERBRETEAU
Traducción Florent DEMORAES
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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

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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.

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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
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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.

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(No Transcript)
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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
• Rojo 0.620 - 0.7 µm

longitudes de ondas
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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.
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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.

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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).

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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.

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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.

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Matriz de imagen numérica

• Valores radiométricos entre 0 y 255
• 0 (0 de reflectividad) Negro
• 255 (100 reflectividad) Blanco
• Estas matrices de valores radiométricos se pueden
  visualizar
• En matices de gris
• En composiciones coloreadas (mediante una
  combinación de varias bandas)

Muestreo de valores radiométricos para una banda
espectral dada
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Imágenes satelitales ejemplos
Imagen Spot 5 del 23/11/2003
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Imágenes satelitales ejemplos
Imagen Spot 5 del 23/11/2003
Multiespectral composición coloreada
pancromático
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Imágenes satelitales ejemplos
Imagen Landsat (Tailandia)
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Imágenes satelitales ejemplos
Oil tanker sinking off Rio de Janeiro,IKONOS
Pan 1 meter resolution (15/10/2002) (Source
NASA)
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Imágenes satelitales ejemplos
Spaceborne Imaging Radar- bands C X - Synthetic
Aperture RadarPhu Kradung in northeastern
Thailand (03/10/1994) (Source NASA)
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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).

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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).

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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.

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Técnicas de filtrado espacial
Filtro de paso bajo eliminación del efecto
borroso (filtro de la mediana)
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Técnicas de filtrado espacial
Detección de contornos (filtro Prewitt)
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Técnicas de filtrado espacial
Detección de contornos (filtro Laplaciano)
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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 (07µ 1,1µ). Esta
  diferencia es tanto mayor cuanto mayor es la
  densidad de la vegetación y mejor su estado
  fitosanitario.

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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 ?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).

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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.

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Tratamientos de imagen neo-canales

• La composición de color más obvia sería simular
  el color real, asumiendo que estamos trabajando
  con Landsat
• b1 -gt B
• b2 -gt G
• b3 -gt 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.

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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.

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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.

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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 lt 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.

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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.

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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.

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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.

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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

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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.

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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

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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/material12
  1/
• http//www.eduspace.esa.int/eduspace/main.asp?ula
  nges
• http//ceagi.org/teledetec/Paginas/Inicio.htm

39
Fin