Procesamiento de Datos de Elevación a partir de Imágenes Satelitales: ¿Qué funciona mejor?

La Oficina de Surface Mining Reclamation and Enforcement (OSM), la Geological Survey de Estados Unidos (USGS) y la National Geospatial-Intelligence Agency (NGA) están colaborando en un proyecto piloto de dos años para el uso remoto de detección de imágenes de satélite. El proyecto se centra en tres superficies de minas de carbón en Washington, Illinois y Nuevo México.

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Tennessee y Nuevo Mexico.

OSM regula la minería del carbón en los Estados Unidos, y el USGS es la principal autoridad del país de las ciencias geológicas. NGA, una agencia de inteligencia que reúne las imágenes satelitales, se ha encargado de proporcionar los recursos de datos no clasificados a otras agencias gubernamentales: el Programa de Apoyo Comercial de Imágenes.

El objetivo del proyecto es la obtención de NGA de un satélite trimestral con imagenes recolectadas para los tres sitios. Las imágenes son utilizadas por OSM para apoyar la Surface Mining Control and Reclamation Act de 197 Titulo V – Control de Impactos Ambientales de la superficie de la Minería del Carbón.


Las imágenes satelitales procesadas y productos derivados se utilizan para ayudar al personal de campo de OSM con evaluaciones del sitio de la mina. El proyecto piloto también está explorando maneras de mejorar los actuales procesos de la OSM para integrar datos de imágenes y soluciones para satisfacer las necesidades de las evaluaciones de rutina requeridos por la Ley de Minería.

Hay más de 50 características potenciales mineras estándar, pero este proyecto se centra en cinco:

1. Minería dentro de un permiso válido.

2. Minería en la zona de servidumbre (es decir, los datos mineros que tendrían que ser recuperados si la mina se va a la bancarrota. La cuantía de la fianza es el costo de restaurar por completo la tierra si eso llegara a suceder).

3. Desviación de corriente, anchura y longitud del lugar.

4. Localización del suelo almacenado y tierra necesarias para restaurar el pozo después del trabajo minero (recuperación contemporánea).

5. Prohibiciones a distancia (es decir, los requisitos para mantener la minería a una distancia segura de los servicios públicos, tales como líneas eléctricas, líneas de gas, caminos y cementerios).

Minas y Métodos

El área de estudio de la mina de carbón abarca el sitio McKinley, ubicado en el noroeste de Nuevo México, cerca de la frontera de Arizona. El área se encuentra en una gran altitud, el medio ambiente árido y escasa vegetación.

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Un conjunto de pares estereoscópicos de imágenes pancromáticas fueron adquiridas a DigitalGlobe con su satélite WorldView-1 con una resolución de 0,5 metros el 15 de abril de 2010. Ambas imágenes cubren la misma área desde un ángulo de vista diferente.

El análisis utiliza las imágenes pancromáticas del satelite WorldView-1 (imágenes blanco y negro sensibles a todas las longitudes de onda de la luz visible) adquirió el 15 de abril de 2010, con una resolución de 0,5 metros. El satélite sensor de captura de la misma zona desde dos puntos de vista diferentes (es decir, un par estéreo), que permite la extracción de un modelo de elevación digital (DEM).

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Una tabla muestra la precisión vertical y horizontal para cada método de prueba.

Un DEM que se puede extraer a partir de imágenes satelitales es un modelo digital de superficie (DSM); las elevaciones representadas en el modelo no son elevaciones de tierra, pero las elevaciones de la parte superior de la copa de los árboles, las nubes y otras superficies elevadas sobre el suelo. Como resultado, las minas McKinley fueron elegidas por las minas en Washington y New York por densidad de bosques y cobertura de nubes que podrían dar una superficie de tierra falsa.

En el cuadro adjunto, se refiere a cuatro diferentes métodos que se utilizaron para extraer modelos de elevación. Cada método evalua la precisión de los DEMs en comparación con los puntos de control en tierra (GCPs) y puntos GPS. Todos los métodos utilizados con DEM de 10 metros de la USGS Nacional Elevation Dataset como una capa de elevación de referencia, así como archivos que contienen información de los sofisticados sensores del satélite de navegación.

– Método 1 sólo utiliza puntos de amarre recolectados en una par de imagenes estéreo y coincide con la segunda imagen estéreo.

– Método 2 utiliza puntos de referencia horizontal (X e Y) seleccionados manualmente desde imagen ortorectificada previamente (con referencia a una ubicación exacta en la Tierra) y puntos de amarre.

– Método 3 puntos GCPs utilizados (control X, Y y Z) y los puntos de amarre.

– Método 4 utilizada puntos GCPs, X e Y, y puntos de amarre.

Obtención de los puntos

En el 2009, CompassData Inc. adquirió 10 GCPs de minas McKinley que fueron puntos de calificación en levantamientos con una precisión de 20 centímetros en vertical y horizontal. Este es un nivel muy alto de exactitud teniendo en cuenta que se utiliza con imágenes de satélite tomadas a unos 500 kilómetros sobre la tierra. Los puntos se recogieron en zonas no perturbadas, con rasgos fácilmente identificables en las imágenes de satélite (por ejemplo, la intersección de la carretera, en la esquina de una grilla para el ganado, etc) que son susceptibles de ser utilizados en los años venideros.

Personal de campo recolecto 202 puntos OSM GPS durante visitas anteriores a la mina. Los puntos de menor precisión, una precisión de tres metros en horizontal, fueron eliminados, y sólo los puntos de una precisión de un metro se mantuvieron.

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Un archivo de bloque en Leica LPS ilustra la selección de puntos. Los puntos verdes son puntos de enlace de las imágenes estereo seleccionadas, el rojo GCPs con un completa referencia X, Y y Z, y el turquesa son los putnos X, Y seleccionados de la imagen de referencia ortorectificadas.

Un cambio de imagen se calculó comparando un DEM de agosto de 2009 hasta el actual 2010 de la imagen, para determinar qué áreas se habían sometido a la actividad minera durante este periodo de tiempo, como todos los puntos GPS se recogieron en ese período de tiempo.

Se señala que coincidió con las zonas donde se habían producido cambios posteriores se retiraron, dejando un total de 43 puntos. Estos puntos no fueron utilizados como control para el DEM como proceso de extracción de sólo puntos de control para verificar la precisión.

Los DEMs, se obtuvieron mediante cuatro métodos diferentes, para cada uno se examinó la exactitud vertical utilizando el software GIS (extensión Spatial Analyst en ArcGis de Esri). Los archivos puntos GCP y GPS se superponen sobre los DEMs, y los puntos correspondientes se obtuvieron en un nuevo archivo que contiene el valor nuevo de elevación de cada píxel extraído desde el DEM. Estos valores se utilizaron para calcular la cantidad de desplazamiento vertical de los modelos de elevación en comparación con el terreno y los puntos de control GPS.

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Las regiones de color rojo han sido sometidos a la minería desde agosto 2009 hasta abril 2010, las regiones verdes no se alteraron.

Para los métodos que utiliza GCPs, sólo siete de los 10 puntos se incluyeron como testigo. Tres de los 10 puntos fueron dejados de lado y se utiliza para examinar la exactitud de los modelos de elevación. Los DEMs que no utilizaron GCPs se probaron para la exactitud en comparación con los 10 puntos.

Precisión vertical

La tabla muestra los resultados antes mencionados para el DEMs extraído por medio de los cuatro métodos diferentes. Los valores de precisión representan la media de desplazamiento en metros para cada conjunto de puntos de control, puntos GCPs y GPS.

– Método 1 tenía el DEM más preciso: la exactitud vertical fue de 0.348 metros en GCPs y 0.653 metros de los puntos GPS.

– Método 2 produjo un DEM con mayor error vertical. El modelo de elevación tuvo una precisión de 4.568 metros en comparación con el GCPs, y 4.947 metros en comparación con los puntos GPS. Estos resultados fueron inesperados, ya que el proceso sólo con puntos de enlace es el más rápido de instalar. Los procesos para el método 2 requieren más trabajo y tiempo, ya que utiliza los puntos de una imagen de referencia, además de los puntos de enlace.

– Método 3 la salida de un DEM con una precisión de 0.640 metros en comparación con el GCPs y dentro de 0.741 metros en comparación con los puntos GPS.

– Método 4 produjo un DEM con una precisión de 0.837 metros en comparación con GCPs y dentro de 0.950 metros en comparación con los puntos GPS – no es tan exacto como el método 1, pero muy preciso.

Precisión horizontal

El objetivo del estudio fue evaluar diferentes métodos de extracción DEM y determinar el mejor proceso para producir el modelo de elevación más precisa. La precisión vertical fue verificada por el DEM real.

Para evaluar la precisión horizontal, las imágenes estereo se ortorectificaron mediante la elevación de los modelos extraídos en cada método como referencia. El proceso de ortorectificación implica deformación de la imagen para mover los píxeles en una ubicación de referencia exacta de la Tierra. Debido a que los puntos GCP eran lo suficientemente precisos para ser utilizados en un levantamiento de la tierra (una precisión de 20 centímetros) y podría ser fácilmente localizado en las imágenes de satélite, que se utilizaron para evaluar la precisión horizontal.

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Un archivo de punto que cubre el DEM muestra los metros de desplazamiento vertical del DEM en comparación con el GCPs.

Método 1 ha dado una imagen ortorectificada precisa a cuatro metros; Método 2 una imagen ortorectificada con una precisión de tres metros; Método 3 producido de la mejor imagen ortorectificada, una precisión de dos metros, y el método 4 produce una imagen ortorectificada con una precisión de tres metros.

Lógicamente, el método 4 debería haber constituido el DEM más preciso y la imagen ortorectificada, ya que utiliza los datos con más control, pero que no era el caso. Esto llevó a la conclusión de que había problemas con algunos de los datos de referencia.

Después de cerca, era evidente que la imagen de referencia, de la que los puntos X e Y se seleccionaron, se vio compensado por cuatro a seis metros. Esta evaluación de imagen WorldView-1 afirmó una lección: los datos de salida sólo pueden ser tan exactos como los datos de entrada de referencia. En cuando el GCPs es de alta precisión y se utilizó como referencia, los productos finales fueron más precisos.

GCPs y Ties Buenos

Si sólo se desea el DEM como producto final a partir de imágenes de satélite WorldView-1 estéreas, entonces el mejor método es utilizar sólo los puntos de amarre. Cuando se desea una imagen ortorectificada, además de productos de elevación, que normalmente es el caso, es mejor utilizar puntos GCPs y de amarre.

Además, se recomienda una imagen de referencia ortorectificada (o cualquier otro dato de referencia) solo si es preciso. Los datos de satélite utilizados en este estudio eran libres de nieve, nubes y neblina, y el ángulo fuera del punto más bajo fue dentro de lo razonable, todas las condiciones eran favorables. Como resultado, la salida de productos de calidad podrían ser fácilmente alcanzados. Sin embargo, los datos obtenidos sobre una base diaria generalmente no poseen estas condiciones ideales, por lo que es necesario utilizar los datos de referencia para obtener resultados aceptables.

Fuente:

Geoplace

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