Uso combinado de Fotografías Cósmicas de Cuadro y Imágenes Landsat7 en las Investigaciones

Resumen

Se exponen los aspectos metodológicos y técnicos generales sobre el empleo combinado de fotografías cósmicas rusas, tomadas con cámaras de cuadro (en el trabajo se utilizaron fotografías tomadas con la cámara KFA-1000), y de imágenes del sensor ETM+ del Landsat-7 (EE.UU.), en las actividades científicas que se llevan a cabo en Cuba.


Se aprovechan las ventajas que ofrece la Proyección Central de las fotografías cósmicas y su elevada resolución espacial, para realizar las tareas relacionadas con la georreferenciación, la selección de zonas de entrenamiento para la clasificación supervisada, y otras. De las imágenes Landsat-7 se hace uso de su mejor resolución espectral para la clasificación de las cubiertas.

Las fotografías cósmicas fueron llevadas a formato raster con un scanner fotogramétrico de elevada estabilidad geométrica y resolución de barrido. El software empleado en el tratamiento digital de imágenes fue el ENVI 3.5.

Los resultados principales se enmarcan en la disminución del tiempo para seleccionar, identificar y determinar las coordenadas geodésicas de puntos de apoyo utilizados en la georreferenciación de las imágenes captadas por el ETM+ y en la elevación de la exactitud de este proceso, así como en el cartografiado de elementos topográficos que no se logran discriminar con certeza en dichas imágenes.

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Fig. 1 Muestras de escenas de las bandas del ETM+ en el espectro visible (1,2 y 3), en el espectro infrarrojo cercano (4), en el espectro infrarrojo medio (5 y 7), en la banda pancromática (8) y en la del infrarrojo térmico (6)

1. Introducción

El empleo de las tecnologías y métodos de avanzada, como la Percepción Remota (PR), los Sistemas de Posicionamiento Global (SPGD) y la Fotogrametría Digital (FD), para adquirir bases de datos digitales georreferenciadas, susceptibles de ser procesadas, analizadas y cartografiadas por medio de los sistemas CAD y de Información Geográfica (SIG), ha significado una excelente alternativa para lograr un mayor conocimiento de los territorios sujetos a estudio de forma sistemática, en especial de las zonas costeras y marinas, que en muchos casos resultan ser de difícil acceso.

En la ponencia se exponen algunos criterios e ideas acerca de la metodología del empleo combinado de fotografías cósmicas de cuadro e imágenes scanner para acometer las tareas de captura y procesamiento de datos georreferidos mediante la Percepción Remota y el Procesamiento Digital de Imágenes.

2. Antecedentes del Uso de la percepción remota en Cuba

Existen numerosos antecedentes en Cuba de aplicaciones de la Percepción Remota aérea y/o satelital, en muchos casos en interconexión con GPS y SIG, a los estudios de los recursos naturales y su cartografiado, así como su utilización en otras actividades vinculadas con el manejo de los territorios y la actualización de la cartografía oficial.

Desde la década de los años setenta del pasado siglo, en Cuba se han utilizado fotografías cósmicas rusas tomadas con las cámaras KATE-140, KFA-200, KFA-1000, MK-4, entre otras. Los trabajos realizados han demostrado su aplicación exitosa, aunque su aplicación no se ha extendido debido a diferentes razones:

– Las fotografías se toman (hasta la actualidad) con una resolución temporal muy baja. Su compra en la URSS era muy esporádica y hace muchos años que no se adquieren.
– No existe un cubrimiento total del territorio con fotografías de un solo tipo.
– Muchas imágenes presentan una gran cobertura nubosa que impide un uso eficiente de la iconoteca existente.
– Las imágenes fotográficas cósmicas que existen en el ICGC (GeoCuba) están en formato analógico (en soporte de papel y película), por lo que su adquisición por usuarios que no sean de estas instituciones era y es costosa, y su empleo mediante equipos fotogramétricos está limitado para muchos investigadores de las geociencias que no cuentan con ellos.
– Hace sólo aproximadamente dos años que existe en GeoCuba un scanner fotogramétrico de alta resolución y elevada estabilidad geométrica que puede ser utilizado en la conversión de estas imágenes de formato analógico a digital (raster).
– Las imágenes se han envejecido y su uso potencial está relacionado con estudios espacio-temporales.

Otras:

En los años ochenta del siglo pasado, se incrementaron en el país los experimentos nacionales e internacionales de Percepción Remota, algunos de ellos a tres niveles (terrestre, aéreo, espacial) y cuasisincrónicos, en los que participaron distintas instituciones científicas cubanas y europeas del antiguo campo socialista. Entre estos experimentos se destacan el “Trópico I, II y III”,”IR-87”, “Caribe-88”, “Atlántico-89”, así como “Sondeo” y “Plataforma I, II, III y IV”.

También se debe señalar el uso sistemático de la información satelitaria en los servicios meteorológicos, en las investigaciones de los recursos naturales y en otras actividades científico-técnicas vinculadas con diferentes estudios temáticos y la cartografía de los territorios con fines diversos.

Estas actividades científico-técnicas y otras, realizadas por distintas instituciones nacionales, permitieron la formación de un gran número de especialistas cubanos en el empleo de las imágenes cósmicas fotográficas y los métodos fotogramétricos de procesamiento de las mismas.

3. Materiales y Tecnologías

A. Imágenes scanner satelitales utilizadas

En los últimos dos años, en el país se están utilizando con relativa profusión las imágenes que son obtenidas mediante el sensor ETM+ del Landsat-7, para llevar a cabo los trabajos de Percepción Remota satelital, debido a que a través de distintos Proyectos con colaboración extranjera algunas instituciones han podido adquirir las mismas.

El 15 de abril de 1999 se puso en órbita, mediante el vehículo espacial DELTA II, el Landsat-7, con el scanner ETM+ (Enhanced Thematic Mapper) a bordo. Las características de este satélite son similares a las de sus predecesores Landsat 4 y 5; o sea, una altitud orbital de unos 705 Km.; un ciclo de revisita de 16 días (periodo de 99 min.); un ancho de cubrimiento de 185 Km. y pasa alrededor de las 10 a.m. (+/- 15 min.) por el Ecuador, con una inclinación de su órbita de aproximadamente 98.2o.

El ETM+ es un nuevo Mapeador Temático que posee las posibilidades de su antecesor, el TM, pero mejorado en su concepción técnica: una banda 8, pancromática, y una banda térmica, de 15 y 60 metros de resolución espacial, respectivamente.

Las características de las bandas del ETM+ – Landsat-7 se dan en la tabla 1.

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Tabla1. Características técnicas de las bandas del sensor ETM+ del Landsat-7

B. Fotografías cósmicas utilizadas

Para la realización de este trabajo, se emplearon imágenes cósmicas obtenidas con la cámara fotográfica cósmica KFA-1000. Las características orbitales de las series de las naves espaciales “Resurs” y “Kometa” (Rusia), así como de los sensores fotográficos que han operado y operan a bordo, se muestran en la tabla 2.

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Fig. 2 Escena de la imagen de la KFA-1 000 escaneada (RGB)

C. Características generales del Software y Hardware empleados

C.1 Software ENVI 3. 5

En el tratamiento digital de imágenes se empleó el ENVI 3.5, un software muy versátil, completo y avanzado para aplicaciones relacionadas con las ciencias de la Tierra, considerado como un programa muy fácil de asimilar, destacándose por el aprovechamiento máximo de las posibilidades del hardware, por ser muy “amigable” en las interfases con el usuario y sumamente rápido en sus operaciones.
Este software permite realizar automáticamente mosaicos de imágenes y balance de color, hacer sobrevuelos simulados (roam) y zoom en tiempo real, obtener el realismo de tres dimensiones, convertir de raster a vector y viceversa, crear interpolación de superficies, efectuar correcciones radiométricas y geométricas, visualizar y procesar imágenes radar SAR (Synthetic Aperture Radar), obtener imágenes aéreas y espaciales ortorectificadas, entre otros tratamientos.
Mediante el ENVI 3.5 se pueden efectuar clasificaciones supervisadas y no supervisadas para transformar y clasificar en diferentes clases temáticas los datos multiespectrales e hiperespectrales contenidos en las imágenes.

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Fig. 3 Escena de la imagen KFA-1 000 correspondiente a la banda G obtenida mediante el escaneado

Es posible exportar e importar imágenes de cualquier tamaño e interactuar con distintos software de SIG, entre ellos el ARC/INFO y ArcView y con software de procesamiento digital de imágenes, como el ERDAS y PCI. También permite comprimir y efectuar descompresión de imágenes en tiempo real.

La combinación de estas ventajas coloca a ENVI 3.5 como una solución tecnológica inteligente para procesamiento de imágenes y composición cartográfica.

El ENVI 3.5 cuenta con la posibilidad de guardar los resultados de los procesos en disco duro o en Memoria y los envía a la lista de imágenes disponibles en forma automática. Esta última característica resulta muy útil en términos prácticos para aplicar funciones de análisis. Además, este software cuenta con la posibilidad de optimizar tiempos de procesamiento, al enviar una serie de procesos a la “cola” y ejecutarlos todos juntos después, sin necesidad que el usuario esté presente.

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Tabla 2. Algunas características de los programas espaciales rusos “Resurs” y “Kometa”

El ENVI 3.5 posee herramientas de correcciones radiométricas, geométricas, atmosféricas y de calibración que no están directamente implementadas en otros software.

En el ENVI 3.5, a través de la opción de banda matemática más la integración de las funciones de IDL, se puede realizar operaciones analíticas muy avanzadas. La integración de IDL con el software eleva su posición respecto a otros programas que requieren de realizar programas en C++, Fortrán o Visual Basic.

El ENVI 3.5 es más robusto para la georreferencia y rectificación geométrica de imágenes que otros software en los cuales es fácil cometer errores, sobre todo en usuarios poco experimentados. Mediante el ENVI 3.5 es muy sencillo editar las proyecciones cartográficas y cambiar sus parámetros, mientras que en algunos programas es muy complejo y se requiere tener mucho cuidado para no dañar los archivos que registran la información de todas las proyecciones.

En algunos software se le ha prestado poca atención a la parte de la toma de muestras para la clasificación. La recolección de muestras entonces se hace tediosa y poco productiva. Con el ENVI 3.5 es más fácil y posee más herramientas de clasificación y post-clasificación. Muchos especialistas opinan que los usuarios del PDI cuyo foco principal vaya a ser la clasificación temática de imágenes de satélite deben elegir el ENVI 3.5.

La composición de mapas en el ENVI 3.5 tiene ciertas ventajas, como la de generar tanto el canevá en latitud y longitud, como la retícula de las coordenadas propias de la proyección, ambas en el mismo mapa (tarea simple, pero muy compleja de realizar en otros software de tratamiento de imágenes), lo cual se logra fácilmente mediante la herramienta denominada Quick Map.

En cuanto al análisis de información hiperespestral, el ENVI 3.5 es netamente superior; de hecho es el líder de todos los programas de Percepción Remota en este campo, ya que ha sido desarrollado por un grupo de científicos expertos en el análisis hiperespectral.

El procesamiento con vectores en el ENVI 3.5 posee una marcada funcionalidad, permitiendo la integración completa con datos vector y sus atributos en formato de ArcView, Map Info y ArcInfo (E00).

La herramienta de Gridding (interpolación y creación de DEMs) de ER Mapper y otros software permite mayores funciones que las incorporadas en el ENVI 3.5. Sin embargo, ENVI 3.5 + IDL permiten más métodos y opciones de interpolación. La generación de subproductos a partir de DEMs y vistas en 3D en el ENVI 3.5 son muy similares a otros software. Por otra parte, este software tiene la ventaja de guardar los resultados de visualización 3D directamente en formatos de animación estándar.

En sus últimas versiones ER Mapper y otros software se han dedicado más a soportar y mejorar sus aplicaciones de imágenes vía Internet (a través de su solución denominada Image Web Server, así como a la compresión de imágenes con técnicas wevelet. También se han desarrollado rutinas para que sus algoritmos se puedan ver desde diferentes programas de SIG como: ArcView, Map Info y AutoCAD Map.

Por otra parte, ENVI 3.5 ha adoptado el formato PNG para la publicación en el WEB; además, puede usarse con otra aplicación de Research Systems llamada ION, la cual permite distribuir en el WEB los resultados y programas personalizados de ENVI 3.5. Las últimas versiones de ENVI cuentan con la posibilidad de realizar compresión GZIP en las imágenes resultantes de ciertos procesos, ENVI leerá ese archivo haciendo automáticamente la descompresión. Además, el programa cuenta con formatos de salida que automáticamente incluyen la información de la georreferencia en archivos world de ArcView, con dichas funciones sus resultados se pueden integrar a todos los programas de SIG.

C.2 Hardware empleado en el procesamiento digital de imágenes

Se utilizó una PC G-MAX con un HD de 100 GB; 1,5 GB de RAM y a 1,7 Mhz, con Lector y quemador de CD, dotada de un display en colores de 19”.

4. Descripción General de los Métodos y Resultados

El tema que nos ocupa trata sobre una metodología experimental que puede ser empleada en el transcurso de actividades relacionadas con el uso de la PR en distintos proyectos: el empleo combinado de fotografías cósmicas de cuadro (KFA-1 000, KVR- 1 000, TK-350) y de imágenes scanner del Landsat-7.

Los objetivos principales de esta tarea consisten en:

– Facilitar y elevar la calidad de la realización de la georreferenciación o corrección geométrica de las imágenes Landsat-7.
– Obtener mayor información de elementos del terreno que resultan de difícil clasificación mediante las imágenes Landsat-7 y que se requiere cartografiar para la actualización de los mapas topográficos bases a escala 1:100 000, así como para la confección de mapas temáticos a escala 1:50 000.
Las fotografías tomadas con la KFA-1000, al igual que las aéreas, se obtienen en Proyección Central. Su gran distancia focal y la altura orbital de la nave cósmica, desde donde opera la misma, permiten lograr una resolución espacial teórica de unos 4-7 metros y una disminución significativa de los desplazamientos de los puntos-imagen provocados por el relieve local y la curvatura terrestre.

El gran formato del cuadro de las imágenes tomadas con la KFA-1000 y las características de su objetivo fotográfico provocan distorsiones que se deben tener en cuenta en el proceso de su tratamiento fotogramétrico. En realidad, no es una cámara métrica. Este problema se ha visto disminuido o eliminado en las nuevas versiones de cámaras fotográficas rusas, que actualmente están operando a bordo de los satélites rusos (KVR- 1 000, TK-350). El solape longitudinal de las fotografías cósmicas permite llevar a cabo la observación estereoscópica de las mismas y su procesamiento estereofotogramétrico, lo que eleva sustancialmente las ventajas de su uso en diversos tipos de estudio y en la cartografía.

De acuerdo a la Metodología que se analiza, la fotografía cósmica se somete a un proceso previo de barrido para convertirla en formato raster. Éste se realiza a partir de los originales fotográficos por contacto (doble-positivos en película). Es necesario, indudablemente, contar con un scanner fotogramétrico. Si se adquiere la imagen en formato digital, este paso evidentemente no es necesario, pero el costo de la misma aumenta. En los trabajos realizados por el autor, el “escaneado” de la imagen fotográfica cósmica se llevó a cabo en GeoCuba, empleando el Scanner ULTRASCAN 5 000 (hasta 5 000 DPI), con una resolución de barrido de 1200 DPI y en formato .tif. Este equipo posee una precisión geométrica de 2 micras y un rango de densidad de 3,6 D. Es fabricado por ITSaica, Wild Austria.

Posteriormente, se lleva a cabo un mejoramiento y realce de la fotografía cósmica, utilizando para ello el software adecuado. Como la misma se obtiene en una proyección central, sólo es necesario identificar alrededor de cinco puntos de apoyo para su rectificación, lo que contrasta con la cantidad de tales puntos que son necesarios para corregir geométricamente una imagen Landsat. Esta es una de las posibilidades que brinda esta variante técnico-metodológica.

Por lo tanto, uno de los pasos de la metodología consiste en obtener las coordenadas de los cinco o más puntos de apoyo (de control terrestre o geodésico) para rectificar la fotografía cósmica. Este proceso se puede realizar mediante varias vías; entre ellas:

1.- Por medio de Sistemas de Posicionamiento Global
2.- Empleando los datos existentes de fototriangulaciones realizadas con fotografías aéreas por
el método estereofotogramétrico y llevando a cabo un traspaso de puntos.
3.- Utilizando mapas topográficos, mediante el método cartométrico.
Con relación a la exactitud exigida a los resultados de la confección de mapas mediante imágenes, los dos primeros métodos aseguran la ejecución de la tarea con elevada precisión, suficiente para la escala de salida cartográfica que prácticamente se puede obtener con imágenes del Landsat-7, pero su realización es más costosa.

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Detalle de Imagen Landsat 30m de resolucion espacial (Cárdenas)

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Detalle de Imagen Fusionada KAFA-1000/Landsat-7 10m de resolución espacial (Cárdenas)

Para llevar a cabo esta tarea por la última variante, es necesario, principalmente, contar con una cobertura cartográfica a escalas grandes y determinar la escala óptima del mapa topográfico base con el que se van a determinar las coordenadas de los puntos de apoyo por el método cartométrico, análisis realizado durante el desarrollo de la Metodología. Uno de los problemas que se presenta en el uso de los mapas topográficos (si estos existen) es que por lo general están desactualizados y se dificulta la detección e identificación de puntos homólogos usando la variante imagen-mapa que posee el ENVI 3.5. No obstante, es el método de menor costo y, en general, más rápido, aunque esta tarea es de por sí muy fatigosa y se le debe prestar especial atención por su importancia en el contexto del procesamiento digital de imágenes.

 

La determinación de las coordenadas de los puntos con ayuda de los mapas se puede realizar de distintas formas. En la metodología que se está abordando, los mapas se “escanearon” y se georreferenciaron, para luego obtener en el display de la computadora las coordenadas de los puntos de apoyo por el método imagen-imagen. Con este fin, se debe utilizar el software adecuado y llevar a cabo distintos procedimientos técnicos que no se describen por razones de espacio. Para comparar y comprobar resultados, se utilizaron las coordenadas geodésicas de puntos de apoyo y de control obtenidas mediante GPS.

Una vez obtenidas las coordenadas geodésicas de los puntos de apoyo necesarios (más de cuatro), distribuidos uniformemente en el cuadro de la fotografía cósmica, ésta se somete al tratamiento digital para su georreferenciación por Proyección Central. Si el terreno lo exige, por existir elevaciones considerables (lo cual es posible definir mediante un análisis previo de las características del relieve), es recomendable aplicar la ortorrectificación, para lo cual se debe crear preliminarmente el DEM.

Ya rectificada la fotografía cósmica, ésta se emplea en la determinación de los puntos de apoyo que serán utilizados en la corrección geométrica de la imagen Landsat-7. El proceso se realiza mediante el registro de “imagen a imagen”, utilizando el ENVI 3.5 u otro software que lo permita. La variante metodológica utilizada para la georreferenciación de las imágenes Landsat-7, utilizando como imagen base las fotografías cósmicas rectificadas, arrojó los resultados generales siguientes, comparándola con el método cartométrico tradicional:

a.- El proceso de identificación de puntos homólogos imagen-imagen (KFA-1 000 –Landsat-7) es mucho más rápido que la variante imagen-mapa.
b.- Se disminuyeron los errores en la identificación y ubicación espacial de los puntos de apoyo en comparación con el método imagen-mapa.
c.- Como resultado final, se elevó la exactitud de la corrección geométrica de la imagen Landsat-7 (el RMS resultante fue de menos de 0, 25 píxel).

Posteriormente, la fotografía cósmica se empleo en la transformación de RGB a HSV y viceversa (Proceso Sharpening en el ENVI), para aplicar la conversión de varias combinaciones de bandas espectrales del Landsat-7, de 30 metros de resolución espacial, a otra de mayor resolución (en el trabajo que nos ocupa, el píxel de la fotografía cósmica alcanzó un valor de 10 metros). En este caso, la resolución de la fotografía cósmica depende indudablemente de la resolución de barrido, al convertirla de formato analógico a digital. Como las fotografías cósmicas KFA-1000 se obtienen con películas espectrozonales (infrarrojo color), al “escanearlas” en colores se obtiene una imagen RGB. De estas tres bandas se escogió la G para llevar a cabo el proceso de transformación Sharpening (Fusión KFA-1000 / Landsat-7). Debe aclararse que para este proceso la imagen fotográfica cósmica debe haber sido tomada en fecha cercana a la de la imagen Landsat-7, o ser más reciente, ya que los elementos espaciales de la primera serán los que aparecerán en la imagen obtenida a través de la fusión sharpening. Algunos de los resultados se muestran en los anexos.

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5. Conclusiones y Recomendaciones

-Se comprobó que el uso combinado de imágenes Landsat-7 y fotografías cósmicas de cuadro permite aprovechar las propiedades métricas e informativas de ambos materiales en la consecución de resultados investigativos satisfactorios y para la cartografía.

-Se logró disminuir el tiempo de ejecución y elevar la exactitud y calidad de los resultados de la georreferenciación de las imágenes Landsat-7.

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Combinación de bandas de landsat-7 y la kfa-1000

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Detección de Variaciones Espacio-Temporales empleando las imágenes KFA-1000 Y Landsat-7 (2000)
(Los cambios ocurridos se muestran en color magenta)

-Se recomienda realizar estos trabajos empleando imágenes de otros sensores fotográficos espaciales rusos, como la KVR-1000 y la TK-350.

-La imagen fotográfica cósmica es posible utilizarla para vectorizar algunos elementos del terreno que no se detectan ni se identifican con la certidumbre o certeza que se requiere en las imágenes scanner del Landsat-7. Entre ellos se puede señalar la mayoría de las vías que forman parte del contenido del mapa a escala 1:100 000; pequeños cayuelos; grandes edificaciones, y otros elementos de dimensiones que están por debajo de la resolución espacial de las imágenes tomadas con el sensor ETM+. A la clasificación supervisada de las cubiertas, realizada mediante las imágenes Landsat-7 y convertida posteriormente a vectores, se le puede agregar la información vectorial adquirida mediante la fotografía cósmica KFA-1000, mejorando así la calidad y plenitud de los mapas temáticos.

-Se recomienda el uso de las fotografías cósmicas para facilitar la selección de las zonas de entrenamiento utilizadas en la clasificación supervisada de las imágenes Landsat-7.

-Se comprobó que durante el proceso de captura y registro (georreferenciación) de las imágenes Landsat-7, utilizando como imagen base la KFA-1 000 georreferida y empleando el método imagen-imagen del ENVI 3.5, se obtiene que la imagen resultante (georreferida) del Landsat-7 toma el tamaño del píxel de la KFA-1 000.

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Viales imposibles de indenticar en las imagenes landsat-7 que han diso vectorizadas sobre la KAFA-1000

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Vectores traspasados a la imagen Landsat-7

-El procesamiento digital de imágenes requiere de computadoras de una configuración fuerte, con el fin de elevar la rapidez del trabajo, ya que debido a la elevada resolución de barrido a la que se deben someter las fotografías cósmicas los ficheros toman grandes dimensiones (más de 300 Mb).

FUENTE:

Mappinginteractivo

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