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UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE
FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA GEOGRAFICA
ACTUALIZACIÓN CARTOGRÁFICA CON IMÁGENES
SATELITALES
Mauricio Alfredo Arce Neira
Gonzalo Luís Ortega Candia
2005
UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE
FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA GEOGRAFICA
ACTUALIZACIÓN CARTOGRÁFICA CON IMÁGENES
SATELITALES
“TRABAJO DE TITULACIÓN PRESENTADO EN CONFORMIDAD A
LOS REQUISITOS PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO DE
EJECUCIÓN EN GEOMENSURA”
Profesor Guía: Martín Olivares Altamirano
Mauricio Alfredo Arce Neira
Gonzalo Luís Ortega Candia
2005
Resumen
Desde que el ser humano logra entender el concepto de
Ubicación, fue ahí donde se comienzan a generar los primeros
bosquejos, croquis y dibujos del territorio en que habitaban, los que a
lo largo de los años fue mejorando y con los avances tecnológicos se
convirtieron en lo que hoy en día se conoce como una ciencia llamada
Cartografía.
Dentro de los diferentes métodos de producción Cartográfica,
los que se han ido mejorando a lo largo de los años, la Teledetección
puede y es un gran aporte en la integración e innovación de las
diferentes tecnologías referentes a la Información Territorial.
Es por esto, que este trabajo va dirigido a la aplicación de la
Teledetección en el área de la Cartografía, principalmente y como
titulo del tema en la Actualización Cartográfica con Imágenes
Satelitales, específicamente del satélite Landsat ETM+ y un Modelo
Digital de Elevación (MDE) del programa espacial SRTM.
En el desarrollo se verán los aspectos teóricos, técnicos y las
metodologías que ocupa la Teledetección en el tratamiento de las
Imágenes Satelitales, se trataran temas como por ejemplo, los
fundamentos físicos de la Teledetección, sensores remotos, el
programa espacial de Landsat, Imágenes Satelitales, Modelos
Digitales de Elevación (MDE), sus errores y correcciones, se realizara
y analizará una Ortorectificación a la Imagen Satelital para su
aplicación Cartográfica. Todo con el propósito de la integración de
esta Tecnología en los métodos tradicionales de generación
Cartográfica, para obtener como resultado final un documento
cartográfico llamado Espaciocarta y realizar un Estudio de crecimiento
urbano específicamente en la comuna de Puente Alto.
Se busca finalmente en este trabajo de titulación, dejar a la
Teledetección y a los productos provenientes de los programas
espaciales como las Imágenes Satelitales y los Modelos Digitales de
Elevación (MDE), como una alternativa a la Actualización y Generación
de Cartografía.
Palabras Claves (keyworks)
1. Imágenes Satelitales
2. Modelo Digital de Elevación
3. Teledetección
4. Landsat ETM+
Abstract
Since humans understood the concept of “location”, the first
drafts and drawings of the area and territory they inhabited were
created. Time and technological advances improved these and
eventually became that we now know as Cartography.
Among the different cartography methods, progressively better
thrown the years, Teledetection is undoubtedly a major contribution
to the integration and innovation in territorial information.
This is a work that go direct to the application of Teledetection
for the area to cartography its name is “Cartography Actualization
with Satellital Images” especially whit Satellite Landsat ETM+ and
Digital Elevation Model (DEM) from SRTM Spatial Program.
The development we will see them with theoric tecnics aspects
the Teledetection use some methods for treatment of Satellital
images, you will see topics likes physics fundamentals of
Teledetection, remote sensor, spatial program of Landsat, Satellital
images, Digital Elevation Models (DEM) its mistakes and corrections it
will realize and analyse a Orthorectify to Satellital images for its
cartography applies. The purpose of integration for this Technology
into traditional methods of cartographic generate, for obtain like a
result a paper cartographics called Space-map and realize a study
about the urban grow up specific in Puente Alto district.
Finally, you will see in this work, show you that the
Teledetection and some products from spatial programs whit Satellital
Images and Digital Elevation Models (DEM), like an alternative of
actualization and Cartography generate.
Índice General
Paginas
Capitulo 1 ......................................................................................... 1
1. Introducción ............................................................................... 1
1.1 Antecedentes Generales........................................................... 4
1.2 Estado Actual en el Tratamiento del Problema ............................. 5
1.3 Hipótesis ............................................................................... 5
1.4 Formulación de Objetivos ......................................................... 6
1.4.2 Objetivos Específicos ......................................................... 6
1.5 Metodología del trabajo ........................................................... 7
1.6 Material Disponible.................................................................. 9
Capitulo 2 ........................................................................................10
2.1 Teledetección ........................................................................10
2.2 Componentes de un Sistema de Teledetección ...........................11
2.3 Fundamentos Físicos de la Teledetección ...................................13
2.4 Radiación Electromagnética .....................................................14
2.5 Espectro Electromagnético ......................................................15
2.6 Plataformas Satelitales ...........................................................17
2.6.1 Orbita Geosincrona...........................................................17
2.6.2 Orbita Heliosincrona .........................................................17
2.7 Sensores Remotos .................................................................18
2.7.1 Sensores Pasivos .............................................................18
2.7.2 Sensores Activos..............................................................18
2.8 Resolución del Sensor Remoto .................................................19
2.9 Imágenes Satelitales ..............................................................20
2.9.1 Errores en la captación de una Imagen Satelital....................24
2.10 Programa Landsat ................................................................26
2.10.1 Landsat-7......................................................................27
2.10.2 Orbita del Satélite Landsat-7 ............................................28
2.10.3 Sensor ETM+ .................................................................29
2.10.4 Niveles de Corrección de la imagen Landsat ETM+ ..............30
2.11 Procesamiento de las Imágenes Satelitales ..............................31
2.11.1 Correcciones Radiométricas .............................................31
2.11.2 Correcciones Geométricas................................................33
2.12 Modelos del Terreno .............................................................42
2.12.1 Tipos de modelos ...........................................................42
2.12.2 Captura de Datos ...........................................................49
2.12.3 Métodos de Construcción del MDE.....................................52
2.11 Ortorectificación...................................................................56
2.14 Cartografía..........................................................................58
2.12.1 Base de la Cartografía .....................................................58
2.12.2 Formas de la tierra .........................................................58
2.12.3 Coordenadas..................................................................61
2.15 Noción de Escala ..................................................................63
2.15.1 La Escala de una Carta ....................................................64
2.16 Proyecciones Cartográficas. ...................................................65
2.16.1 Sistema de proyección Universal Transversal de Mercator
(UTM).....................................................................................65
2.17 Datum................................................................................67
2.15.1 Sistema WGS84 (World Geodesic System 1984) .................67
Capitulo 3 ........................................................................................70
1. Desarrollo..................................................................................70
3.1 Análisis de los Materiales ........................................................70
3.1.1 Imagen Landsat ...............................................................71
3.1.2 Cartografía Escala 1: 50000...............................................78
3.1.3 Modelo Digital de Elevación (SRTM) ....................................80
3.2 Procedimientos de Corrección de los DTED.................................88
3.3 Proceso de Ortorectificación.....................................................94
3.3.1 Modelo Orbital o Riguroso..................................................94
3.3.2 Modelo de Funciones Racionales .........................................98
Capitulo 4 ......................................................................................101
4. Análisis de Procedimientos y Resultados.......................................101
4.1 Elección de los Puntos de Control (GCPs).................................106
4.2 Análisis de valores Residuales por Funciones Racionales ............107
4.3 Análisis de valores Residuales por Modelos Orbitales .................112
Capitulo 5 ......................................................................................117
5. Aplicaciones.............................................................................117
5.1 Espaciocarta........................................................................117
5.1.1 Tipos de Espaciocartas ....................................................118
5.1.2 Utilización de un Espaciocarta ..........................................119
5.1.3 Escala de la Espaciocarta.................................................120
5.2 Análisis de Crecimiento Urbano ..............................................122
5.2.1 Censos .........................................................................122
5.2.2 Ley de Censos ...............................................................123
5.2.3 Censo a Nivel Nacional ....................................................123
5.2.4 Censo a Nivel Regional....................................................124
5.2.5 Ciudad de Santiago de Chile ............................................128
5.2.6 Proceso de Vectorización .................................................129
5.2.7 Expansión Urbana ..........................................................130
Conclusiones ..................................................................................136
Glosario de Términos .......................................................................141
Referencias Bibliografiítas.................................................................143
Índice de Figuras
Páginas
Figura 2,1.- Componentes de un Sistema de Teledetección................... 12
Figura 2,2.- Onda Electromagnética................................................... 14
Figura 2,3.- Espectro Electromagnético.............................................. 15
Figura 2,4.- Componentes de una Imagen satelital.............................. 21
Figura 2,5.- Satélite Landsat-7 ETM+................................................ 27
Figura 2,6.- Oscilación Polinómica..................................................... 37
Figura 2,7.- Ejemplo de Interferograma............................................. 51
Figura 2,8.- Ilustración de una ortoimagen (Manual Erdas)................... 57
Figura 3,1.- Bandas de la Imagen Landsat-7 ETM+.............................. 73
Figura 3,2.- Imagen Composición Falso Color Convencional (combinación
bandas 4, 3, 2)............................................................................... 74
Figura 3,3.- Imagen Landsat-7 ETM+ cruda........................................ 76
Figura 3,4.-Límite de la zona de estudio en ambas imágenes............ 78-79
Figura 3,5.- Esquema General del SRTM............................................ 81
Figura 3,6.- Antena Radar Principal.................................................. 81
Figura 3,7.- Antena Radar Externa................................................... 82
Figura 3,8.- Método Single Pass....................................................... 83
Figura 3,9.- DTED0; DTED1; DTED2 respectivamente de la misma
zona.............................................................................................. 86
Figura 3,10.- DTED2 entre 33° y 34° (Latitud) y entre los 70° y 72°
(longitud)...................................................................................... 87
Figura 3,11.- Ejemplo de vacío DTED2............................................... 88
Figura 3,12.- Landsat 7 ETM+ combinación RGB de la misma zona en que se
encuentra el vacío de la (figura 3,11)................................................ 89
Figura 3,13.- Curvas de nivel sobre DTED2........................................ 90
Figura 3,14.- DTED2 corregido sin vacíos........................................... 91
Figura 3,15.- Proyección DTED a coordenadas UTM............................. 92
Figura 3,16.- Modelo Digital de Elevación de la zona de estudio............ 93
Figura 3,17.- Elección del modelo matemático en Orthoengine.............. 95
Figura 3.19.- Distribución GCPs Imagen L1G Landsat-7 ETM+.............. 99
Figura 3.20.- Distribución GCPs Imagen cruda Landsat-7 ETM+............ 100
Figura 4,1.- Movimientos internos del Sensor..................................... 102
Figura 4,2.- Referente Geocéntrico y Referente Orbital....................... 103
Figura 4,3.- Ejemplo de (a) barrido lineal; (b) barrido no lineal............ 104
Figura 4,4.- Imágenes Landsat L1G (a) y Landsat 0R (b) Ortorectificadas con
Funciones Racionales..................................................................... 109
Figura 4,5.- Calce de Cuencas con Funciones Racionales en Imagen Landsat
L1G (a) y Landsat 0R (b)................................................................. 110
Figura 4,6.- Imágenes Landsat L1G (a) y Landsat 0R (b) Ortorectificadas con
Modelo Orbital............................................................................... 113
Figura 4,7.- Calce de Cuencas con Modelo Orbital en Imagen Landsat L1G
(a) y Landsat 0R (b)....................................................................... 114
Figura 4,8: Ortoimagen de Santiago de Chile en 3D............................ 116
Figura 5,1.- Región Metropolitana Landsat ETM+................................. 126
Figura 5,2.- Ciudad de Santiago de Chile en Imagen Landsat TM(a) y
Landsat ETM+ (b) con Fecha 17 de Marzo de 1989 y Fecha 19 de Enero del
2003 respectivamente.................................................................... 127
Figura 5,3.- Comparación de coberturas............................................ 129
Figura 5,4.- Expansión Urbana de Santiago........................................ 132
Figura 5,5.- Imagen Landsat TM, de 1989 Puente Alto (a) e Imagen Landsat
ETM+, de 2001 Puente Alto (b)........................................................ 135
Índice de Formulas
Páginas
Formula n°1.- Teoría Ondulatoria...................................................... 14
Formula n°2.- Teoría Cuantica.......................................................... 14
Formula n°3.- Asignación de colores a la Imagen Satelital .................... 21
Formula n°4.- Formula General de Transformación de Coordenadas de una
Imagen........................................................................................ 36
Formula n°5.- Ecuación Lineal........................................................... 36
Formula n°6.- Ecuación de transformación para un polinomio de orden t. 37
Formula n°7.- Error Medio Cuadrático (RMS) ....................................... 38
Formula n°8.- Promedio de Error Longitudinal (ELM)............................. 39
Formula n°9.- Formula Genérica de un MDE......................................... 45
Formula n°10.- Formula General de IDW (Ponderación Inversa de la
Distancia)....................................................................................... 53
Formula n°11.- Ajuste de una ecuación polinómica a un plano (Superficie de
Tendencia)..................................................................................... 54
Formula n°12.- Superficie de tendencia de orden k.............................. 54
Formula n°13.- Achatamiento Terrestre............................................. 60
Formula n°14.- Precisión teórica de un documento cartográfico a partir de
imágenes satelitales........................................................................ 120
Índice de Tablas
Páginas
Tabla 2,1.- Características de la Región Espectral................................. 16
Tabla 2,2.- Diferencia entre los distintos Sensores Landsat.................... 29
Tabla 2,3.- Parámetros elipsoidales del sistema WGS84........................ 67
Tabla 3,1.- Comparación general entre la Imagen Landsat-7 nivel L1G y la
Imagen Landsat-7 nivel 0R (cruda).................................................... 77
Tabla 4,1.- Residuales obtenidos de Funciones Racionales................... 107
Tabla 4,2.- Residuales totales de Funciones Racionales....................... 108
Tabla 4,2.- Residuales del Modelo Orbital.......................................... 112
Tabla 4,3.- Residuales totales del Modelo Orbital................................ 113
Tabla 5,1.- expansión urbana y crecimiento de la población a nivel
comunal................................................................................. 130-131
Índice de Gráficos
Páginas
Grafico 5,1.- Población total Chilena últimos seis años censales. Fuente:
datos INE...................................................................................... 124
Grafico 5,2.- Distribución en porcentaje de la población chilena por regiones.
Fuente de datos INE....................................................................... 125
Grafico 5,3.- cantidad de habitantes región metropolitana. Fuente de datos
INE.............................................................................................. 126
Grafico 5,4.- Área urbana de Santiago en los años 1998 y 2001........... 128
Grafico 5,5.- Comunas con mayor cantidad de habitantes.................... 134
Agradecimientos
El presente proyecto de titulo representa el final de uno de los
desafíos más difíciles que he pasado en mi vida, que es mi paso por la
Enseñanza Superior, fruto de varios años de estudio y esfuerzo que se
ven reflejados ahora en el termino de mi carrera Universitaria.
Principalmente quiero dedicar este gran logro a mi familia, que fue el
pilar fundamental y de la cual me siento muy orgulloso de pertenecer,
a mis Padres Juan Ortega y Maria Eugenia Candia, a mis hermanos
Lorena, Juan Ignacio y Javier Alonso, también a mis abuelos Mario
Candia y Carmen Rojas, a todos mis tíos y en particular a mi tío Mario
Candia, darles las gracias por todo el apoyo, por que soportaron
muchas veces mi mal genio, mi carácter, decirles que los quiero
mucho a todos y que al fin con orgullo les puedo decir ¡¡¡¡¡ LO LOGRE
!!!!!, también a mi polola Victoria Fuenzalida quiero decirte que Te
Amo Muchote y que has sido un gran apoyo en todo este tiempo que
hemos estado juntos.
Gonzalo Ortega Candia
Ingeniero de Ejecución en Geomensura
Universidad de Santiago de Chile 1
Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
Capitulo 1
1. Introducción
Gracias a los avances tecnológicos hoy en día se cuenta con
satélites artificiales, producidos por el hombre, los que tiene la
capacidad de tener una visión panorámica de toda la superficie
terrestre. Ya sean, con fines de investigación, comercial o bélicos,
estos satélites tienen la propiedad de ser una herramienta para el
beneficio propio de la humanidad.
La carrera espacial tiene sus principios en la Guerra Fría, el
primer satélite artificial fue puesto en orbita el 4 de Octubre de 1957,
fue el Sputnik, lanzado por la ex Unión de Republicas Socialistas
Soviéticas (URSS), con fines netamente militares. En 1960, la NASA
lanza su primer satélite de la serie TIROS, con el objeto de detectar
cambios meteorológicos, el que ha permitido el control de las
condiciones atmosféricas o evitando posibles desastres naturales. Así
como estos primeros satélites, muchos más han sido lanzados al
espacio con diferentes objetivos y diferente tecnología, lo que ha
permitido al ser humano, estudiar el espacio y sus fenómenos,
mejorar la tecnología en telecomunicaciones y realizar un sin fin de
estudios acerca del planeta Tierra.
Universidad de Santiago de Chile 2
Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
Una de las aplicaciones mas desarrolladas de los satélites
artificiales y que ha producido un gran beneficio en diferentes
ámbitos, son las Imágenes Satelitales, las que gracias a la
construcción de sensores remotos más avanzados, han permitido que
a través de ellas se aumente la capacidad de visualizar y discriminar
los diferentes fenómenos geográficos, atmosféricos, ambientales,
crecimiento urbano, y otros tipos de cubiertas que se encuentran en
la superficie terrestre.
Las ventajas del uso de las Imágenes Satelitales, es que cuenta
con numerosas aplicaciones y además es una herramienta
complementaria a los procesos convencionales de observación como
son la fotografía aérea, o trabajos de terreno. Gracias a que la
observación remota se realiza a una gran altura es posible tener una
visión panorámica de una gran superficie en la tierra, siendo por
ejemplo, mayor el área de cobertura que el método de la fotografía
aérea; otra de las ventajas es que por las características orbitales del
satélite se cuenta con una gran cobertura global y periódica de la
superficie terrestre, permitiendo entre otras cosas obtener imágenes
de zonas inaccesibles por otros medios; las Imágenes Satelitales
ofrecen también información sobre regiones no visibles del espectro,
esto es en áreas que no pueden ser vistas por el ojo humano o
tomadas por la fotografía convencional, es el caso del infrarrojo medio
y térmico o las micro-ondas, donde estas bandas pueden aportar
información para estudios medioambientales; el formato digital de las
imágenes satelitales hace posible que los procesos de interpretación
se hagan de manera rápida.
Universidad de Santiago de Chile 3
Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
Como principio de ubicación, orientación y comunicación el
hombre desde sus inicios ha confeccionados mapas, los que le han
servido para localizar y ubicar cualquier tipo de superficie terrestre.
Con el tiempo la generación de mapas y la cartografía convencional se
ha visto beneficiada por los cambios tanto en los procesos de geo-
referenciación, como los avances tecnológicos en la obtención de
información geográfica, siendo la teledetección o percepción remota
una de las tecnologías que puede aportar al desarrollo cartográfico.
Bajo los conceptos nombrados anteriormente y otros como son
los Sistema de Información Geográfica (SIG), La Fotogrametría, el
Sistema de Posicionamiento Global GPS, apuntan a una integración de
todas estas técnicas en un termino común como es La GEOMATICA,
definida por La Organización Internacional de Estandarización
(ISO19100 TC/211) como:
“Un campo de actividades que integra todos los medios
utilizados para la adquisición y gestión de datos espaciales necesarios
para las actividades científicas, administrativas, legales y técnicas
involucradas en el proceso de producción y gestión de la información
espacial”
En definitiva lo que busca este proyecto es desarrollar y estimar
las capacidades de las imágenes satelitales Landsat ETM+ en la
actualización cartográfica, específicamente en este caso en la capital
de la Región Metropolitana, en pos del desarrollo del Ingeniero de
Ejecución en Geomensura en el área de las Geociencias.
Universidad de Santiago de Chile 4
Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
1.1 Antecedentes Generales
La tecnología espacial a través del uso de satélites y de sus
productos como son las Imágenes Satelitales, han demostrado ser de
gran utilidad hoy en día para la visualización de fenómenos como son
el crecimiento demográfico de las ciudades debido a la necesidad de
aprovechar los recursos naturales y de espacio, la planificación
urbana, identificación de posibles desastres naturales, etc.
Demuestran con ello que podrían ser de gran utilidad en los procesos
de actualización cartográficas, mediante metodología más rápida y de
menor costo.
La geografía del territorio y los distintos tipos de climas que
existen en nuestro país, dificultan los procesos de actualización
cartográfica en algunas zonas. La teledetección podría ser una
alternativa de solución que permitiría, aun cuando, el clima fuera
desfavorable, realizar este proceso de actualización cartográfica
disminuyendo el costo y el tiempo en el proceso del mismo.
La idea de este proyecto es demostrar que a través de
imágenes satelitales Landsat ETM+ y un Modelo Digital de Elevación
(MDE) de la misma zona (Santiago) se puede realizar una generación
y actualización cartográfica digital; la escala seria 1:50.000 todo
depende de la precisión que se pueda obtener según la imagen
Landsat ETM+, de acuerdo a esto y con el tratamiento respectivo de
la información a través de sus resultados poder comparar y validar la
cartografía existente del IGM.
Universidad de Santiago de Chile 5
Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
1.2 Estado Actual en el Tratamiento del Problema
El Instituto Geográfico Militar es la institución que se preocupa
de mantener la totalidad de la cartografía territorial en un constante
proceso de actualización, de acuerdo a esto se puede notar que para
realizar la actualización cartográfica, la teledetección puede ser una
herramienta que puede aportar mayor rapidez y menor costo, por
ejemplo, en estudios de crecimiento urbano, identificación de nuevas
carreteras, suelos agrícolas, etc.
1.3 Hipótesis
A través de Imágenes Satelitales y un Modelo Digital de
Elevación (MDE) se puede realizar una actualización cartográfica a
escala 1:50.000.
Universidad de Santiago de Chile 6
Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
1.4 Formulación de Objetivos
1.4.1 Objetivo General
Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales, partiendo
de la base la utilización de imágenes Landsat ETM+ y un Modelo
Digital de elevación (MDE).
1.4.2 Objetivos Específicos
Demostrar que el uso de Imágenes Satelitales, de acuerdo a sus
características son de gran utilidad en la generación y actualización
cartográfica.
Realizar los procedimientos de corrección a la Imagen Satelital y
al Modelo Digital de Elevación, con el fin de la generación de una
Ortoimagen.
De acuerdo a los cambios en la cartografía ver por ejemplo el
crecimiento de las zonas urbanas y de población, identificación de
carreteras principales, embalses, ríos, tipos de suelo, etc. Ocupando
como temas obligatorios: Correcciones Geométricas, Ortorectificación,
MDE, Actualización y Generación de Cartografía.
Universidad de Santiago de Chile 7
Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
1.5 Metodología del trabajo
Se darán tópicos obligatorios como son los Fundamentos de la
Teledetección, Tipos de Sensores, Resolución de un Sensor, definición
de lo que es una Imagen Satelital; esta primera parte tratara acerca
de los conceptos generales de la Percepción Remota, conceptos
importantes a la hora de trabajar con Imágenes Satelitales.
Dar una descripción completa del Programa del satélite Landsat
ETM+ y todo lo correspondiente a este; el tipo sensor, las
resoluciones, la geometría del sensor, bandas etc.
Procesamiento de correcciones de la imagen; Corrección
radiométrica y geométrica, métodos de remuestreo, niveles de
corrección en que vienen las imágenes Landsat ETM+.
Modelo Digital de Elevación MDE; tipos de modelos de
elevación; características de su construcción, ya sean, por distintos
métodos de captura de datos o diferentes fuentes de información, y la
importancia que este tiene para el uso en la ortorectificación.
Como este estudio trata también de Cartografía, irán conceptos
relacionados con esta como son la forma de la tierra, tipos de
coordenadas, escala, proyecciones cartográficas, Datum, etc.
Información que los Ingenieros de Ejecución en Geomensura deben
conocer bien a la hora de trabajar en todo lo que respecta a
información geoespacial.
Universidad de Santiago de Chile 8
Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
Se hará un análisis del material usado para este trabajo, ya sea
a las distintas Imágenes Satelitales y sus niveles de corrección; a la
información digital facilitada por el Instituto Geográfico Militar; al
Modelo Digital de Elevación y su tratamiento antes de realizar el
proceso de ortorectificación a la imagen satelital.
Análisis de coberturas a identificar; Según escala requerida y
tamaño del píxel visualizar coberturas a actualizar, como centros
urbanos, vías principales, vegetación e hidrografía). Procedimiento de
clasificación y elección de las distintas coberturas para su posterior
vectorización.
Vectorización de coberturas; Creación de archivo en el cual se
encuentre las distintas coberturas vectorizadas, Esta nueva cobertura
posee información planimétrica, hidrográfica y áreas de crecimiento
urbano, también la edición de vectores y creación de archivos en
formatos de fácil manejo Autocad, Arcview y otros programas de
procesamiento de datos geoespaciales.
Una de las informaciones primordiales es conocer la última
fecha de actualización del IGM, para así poder notar todos los cambios
que se han venido sucediendo desde su última confección.
Terminado el proceso de la actualización hacer un análisis del
crecimiento demográfico apoyándose de la información del censo
1992 y el último del año 2002.
Universidad de Santiago de Chile 9
Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
1.6 Material Disponible
- Imagen Landsat ETM+, fecha de la adquisición 19 de Enero del
2003, correspondientes al WRS Fila (Path) 233 y columna (Row)
083, con un nivel de corrección L1G el que se explicara con más
detalle dentro del proyecto.
- Imagen Landsat-7 ETM+, fecha de la adquisición 10 de Octubre
del 2001, correspondientes al WRS Fila (Path) 233 y columna
(Row) 083, con nivel 0R.
- Modelo Digital de elevación Radar de nivel2 (dted2) del
programa SRTM, de la Región Metropolitana.
- Cartografía base del Instituto Geográfico Militar a escala 1:
50.000 de la zona de Santiago.
- Software PCI Geomatics v. 9.1
- Software Global Mapper v. 6.0
Universidad de Santiago de Chile 10
Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
Capitulo 2
2. Fundamentos Teóricos
2.1 Teledetección
La teledetección o percepción remota es la técnica de realizar
observaciones ha un objeto sin necesidad de tener contacto físico con
él, en otras palabras, es realizar observaciones de la superficie de la
tierra a través de sensores remotos ubicados en plataformas
satelitales o aviones. Este mismo concepto es utilizado en otras áreas
de las geociencias.
Para realizar este tipo de observación es necesario tener en
cuenta de que entre los objetos y el sensor debe existir una
interacción energética, de acuerdo a esto, se puede decir que cada
objeto que se encuentra en la superficie terrestre, emite una
reflectancia, que puede ser emitida por el objeto mismo en virtud de
su propia temperatura, por un foco energético exterior que seria el
Sol o de un haz energético artificial con emisión propia. Toda esta
información es captada y almacenada en el satélite y en las
estaciones receptoras para su posterior uso y aplicación.
Universidad de Santiago de Chile 11
Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
2.2 Componentes de un Sistema de Teledetección
Los elementos básicos que influyen en la Teledetección son:
1.- Fuente de Energía. Representa de donde proviene la
radiación electromagnética que es captada por el sensor;
provenientes desde un foco exterior al sensor (Sol), o emitida por el
mismo.
2.- Superficie Terrestre. Corresponde a todas las coberturas
que se encuentran en la superficie terrestre, vegetación, agua,
construcciones humanas, etc. Que absorben y reflejan la señal
energética según sus propias características físicas.
3.- Sistema Sensor. Compuesto por el sensor y la plataforma
satelital en que se encuentra; es el que recepciona la información de
las cubiertas, las codifica, las almacena y posteriormente las envía al
Sistema de Recepción.
4.- Sistema de Recepción. Recibe y Graba la información
emitida por el satélite, realizándoles algunas correcciones y las
distribuye.
5.- Interprete. Convierte la información según las necesidades
propias, realizando tratamiento visual y digital, para el estudio que
esté realizando.
Universidad de Santiago de Chile 12
Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
6.- Usuario Final. Es a quien finalmente va dirigido el estudio y
trabajo.
Figura 2,1: Componentes de un Sistema de Teledetección
Universidad de Santiago de Chile 13
Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
2.3 Fundamentos Físicos de la Teledetección
De acuerdo a la interacción que existe entre el sensor y la
superficie terrestre, nombrada anteriormente, existen tres formas de
adquirir información a través del sensor estas son:
1.- Reflexión. Siendo la más importante debido a que proviene
de la principal fuente de energía del planeta El Sol. Al iluminar la
superficie terrestre, esta es reflejada en función a la cubierta
presente.
2.- Emisión. El sensor es capaz de captar la energía emitida
por las propias cubiertas.
3.- Emisión-Reflexión. El sensor genera su propio haz de
energía, el que es posteriormente recoge la reflexión producida por el
mismo.
Ese flujo energético entre el sensor y cubierta se le llama
radiación electro-magnética. La energía se transfiere de un cuerpo a
otro por tres procesos: convección, conducción y radiación.
Siendo esta ultima con la que se trabaja en Teledetección.
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2.4 Radiación Electromagnética
La Radiación Electromagnética se explica por dos teorías.
1.- Teoría Ondulatoria. La energía electro-magnética es
transmitida a través de un modelo armónico y continuo. A mayor
longitud de onda menor frecuencia y viceversa.
FC ×= λ (Formula n°1)
C= velocidad de la luz (3 x 108 m/s)
λ = Longitud de onda (µm micrómetros)
F = Frecuencia (Hz)
2.- Teoría Cuantica. Todo cuerpo radiante emite energía
electro-magnética de forma discreta y no continua. A mayor longitud
de onda o menor Frecuencia el contenido energético será menor y
viceversa.
FhQ ×= (Formula n°2)
Q = Energía Radiante (julios)
F = Frecuencia (Hz)
h = Constante de Plank (6.6 x 10-34 Js)
Figura 2,2: Onda electromagnética
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2.5 Espectro Electromagnético
“De las formulas anteriores, se deduce que se puede definir
cualquier tipo de energía radiante en función de su longitud de onda o
frecuencia. Aunque la sucesión de valores de longitud de onda es
continua, suelen establecerse una serie de bandas en donde la
radiación electro-magnética manifiesta un comportamiento similar. La
organización de estas bandas de longitudes de onda o frecuencia se
denomina espectro electro-magnético”. (Chuvieco, 1996).
El espectro electromagnético se divide en regiones que se basan
en longitudes de onda, que pueden ir desde los Rayos Gamma con
longitudes de onda corta 10-12 µm, hasta las ondas de radio con
longitudes de hasta kilómetros. Esas regiones antes nombradas se les
denomina bandas, las cuales tienen sus propias frecuencias medidas
en hertz y longitudes de ondas que van desde los micrómetros hasta
los kilómetros.
Figura 2,3: Espectro Electromagnético
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A continuación se muestra un esquema del espectro
electromagnético que representa las características de cada región
espectral.
Región Espectral (bandas)
Longitud de onda (λ)
Características
Rayos Gamma < 0,03 nm
Radiación completamente absorbida por las capas superiores de la atmósfera. No
se usa en teledetección Rayos X
0,03 - 30 nm Radiación completamente absorbida por la
atmósfera. No se usa en teledetección
Ultravioleta
0,03 - 04 µm La radiación con λ<0,3µm es completamente absorbida por la capa de
ozono Visible (azul, verde y rojo)
0,4 - 0,7 µm Se puede detectar a través de fotodetectores y películas fotosensibles
normales (color y B/N). Infrarrojo Próximo
0,7 - 1,3 µm Discrimina masas vegetales y concentraciones de humedad.
Infrarrojo Medio 1,3 - 8 µm Estima contenido de humedad en la vegetación y detección de focos de alta
temperatura. Infrarrojo Térmico
8 - 14 µm
detecta el calor proveniente de la mayor parte de la cubierta terrestre
Micro-Ondas 0,1 - 100 cm
Radiación de grandes longitudes de onda, capaces de penetrar nubes, nieblas y lluvia
Ondas de Radio > 100 cm
Radiación con las mayores longitudes de onda del espectro. Usadas en
telecomunicaciones
Tabla 2.1: Características de la región espectral
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2.6 Plataformas Satelitales
Las plataformas satelitales son las que sostienen en el espacio a
los distintos sensores que circundan al Globo Terrestre, a este
itinerario de desplazamiento se le denomina Orbita. Cuando las
plataformas satelitales se encuentran orbitando la tierra, comienzan a
recopilar información temática de toda la cubierta terrestre, en
función de las características propias del sensor a bordo de ellas.
Existen dos tipos de Orbitas:
2.6.1 Orbita Geosincrona
Esta es una orbita circular a gran altura, a la que se le
denomina geoestacionaria por que se sincroniza al movimiento de
rotación terrestre, obteniendo buenas resoluciones temporales.
2.6.2 Orbita Heliosincrona
Esta es una orbita elíptica, que aprovecha el movimiento de
rotación de la tierra para situarse en el mismo punto cada cierto
tiempo con similares características de adquisición.
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2.7 Sensores Remotos
Es el instrumento que se encuentra en la plataforma satelital
capaz de captar la energía procedente de la cubierta terrestre. Existen
dos tipos de sensores:
2.7.1 Sensores Pasivos
Están limitados a recopilar y almacenar la energía
electromagnética emitida por las cubiertas terrestres, que son
reflejadas por los rayos solares o provenientes de su propia
temperatura. Estos sensores se clasifican en: sensores fotográficos
(cámaras fotográficas), sensores óptico-electrónicos (exploradores de
barrido y empuje, y las cámaras de vidicón), y los sensores de antena
(radiómetros de micro-ondas).
2.7.2 Sensores Activos
Tienen la capacidad de emitir su propio haz de energía, el que
luego de la reflexión sobre la superficie terrestre es recibido por el
satélite. El sensor mas conocido es el Radar (radiómetro activo de
micro-ondas), el que puede trabajar en cualquier condición
atmosférica. El otro sensor conocido es el Lidar.
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2.8 Resolución del Sensor Remoto
La resolución de un sistema sensor como su habilidad para
discriminar información de detalle (Estes y Simonett, 1975); depende
del efecto combinado de todos sus componentes físicos del sistema.
a) Resolución Espacial: Es la capacidad que tiene el sensor de
distinguir el objeto mas pequeño sobre la imagen. Este objeto se
visualiza en la unidad mínima de información representada en la
imagen, al que se le denomina píxel (Píxel: es un elemento de una
imagen de dos dimensiones, el cual es el más pequeño e indivisible de
una imagen digital (Fegas, 1992)).
b) Resolución Espectral: Indica el número y anchura de las
bandas espectrales que puede discriminar el sensor.
c) Resolución Radiométrica: Relacionado con la sensibilidad
del sensor, es decir, a su capacidad de detectar variaciones en la
radiancia espectral que recibe. Se expresa en el número de bits de
cada uno de los elementos contenidos en la imagen. Generalmente es
28 = 256 niveles por píxel.
d) Resolución Temporal: Frecuencia o periocidad con que el
sensor adquiere imágenes de la misma área de superficie terrestre,
siempre en función de las características orbitales del satélite (altura,
velocidad e inclinación) y de las características del sensor.
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2.9 Imágenes Satelitales
Las Imágenes Satelitales están confeccionadas por matrices, en
las que cada celda representa un píxel, las dimensiones de este píxel
dependerá de la Resolución espacial del sensor.
Los sensores registran la radiación electromagnética que
proviene de las distintas coberturas y las almacena en cada píxel, de
acuerdo a los intervalos de longitudes de onda, en las que este
programado el sensor para captar.
Esta energía electromagnética es representada en cada píxel por
un valor digital al cual se le agrega una tonalidad, este valor es
llamado Nivel Digital (ND), la cantidad de niveles digitales que se
podrá representar dependerá de la Resolución Radiométrica del
sensor, para un sensor con Resolución Radiométrica de 8 bit los
niveles digitales varían entre 0 y 255, siendo en la escala de grises el
cero igual al color negro y el 255 igual al color blanco.
La posición de cada píxel en la imagen satelital está
determinada por un eje de coordenadas XYZ.
X: Nº de columna de la matriz.
Y: Nº de fila de la matriz.
Z: Nivel digital (valor de intensidad de la escala de grises).
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Figura 2,4: Componentes de una imagen digital.
Las diversas coberturas que existen, emiten radiaciones
electromagnéticas en variadas longitudes de ondas, lo que hace que
las bandas entre si representen en forma distinta las coberturas. Para
obtener una mejor interpretación se realiza una formación aditiva, en
la que se asigna colores a los ND en forma arbitraria y así obtener
una imagen color compuesto.
Los colores que generalmente se utilizan son los colores
primarios: azul, verde y rojo.
Color del píxel:
rojoKverdeKazulKColor ×+×+×= 321
%)100(13
1=∑
=iiK
(Formula n°3)
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La asignación de colores más conocida por los usuarios es la del
falso color convencional (R=Red (rojo); G=Green (verde); B=Blue
(azul)), la cual asigna el color azul a la banda del verde, el color verde
a la banda del rojo y el color rojo a la banda del infrarrojo cercano.
La información que se obtiene de las distintas bandas de las
imágenes satelitales, son de gran ayuda en diversos ámbitos tales
como:
1.- Agricultura y recursos forestales: Discriminación de
vegetación, cultivos y tipos de madera, Medición de hectáreas de
cultivo, Estimación de producción agrícola, Monitoreo de tala forestal,
Determinación del vigor de la vegetación, Evaluación de daños de
incendios forestales y de pastizales, Evaluación del hábitat de flora y
fauna silvestre, etc.
2.- Uso de suelo y Mapeo: Clasificación del uso de suelo,
mapeo cartográfico y actualización de mapas, Categorización de
capacidad de suelo, Monitoreo de crecimiento urbano, Planificación
regional, Mapeo de redes de transporte, Mapeo de limites de
suelo/agua, manejo del plano de crecidas, Localización de rutas de
transporte y transmisión, etc.
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3.- Geología: Mapeo de las principales unidades geológicas,
Revisión de mapas geológicos, Reconocimiento de ciertos tipos de
rocas, Delineación de rocas no consolidadas y suelos, Mapeo de
intrusiones ígneas, Mapeo de depósitos de superficie volcánicas
recientes, Búsqueda para guías de superficies para mineralización,
Mapeamiento lineal, etc.
4.- Recursos de agua: Determinación de limites de aguas y
áreas de aguas superficiales, Mapeo de planos de inundaciones y
crecidas, Determinación de extensiones de nieve y hielos, Mediciones
de elementos glaciares, Medición de patrones de sedimentos y
turbidez, Delineación de campos irrigados, Inventario de lagos y
tierras húmedas, etc.
5.- Costas: Determinación de patrones de turbidez y
circulación, Mapeo de cambios de contornos de playa, Mapeo de áreas
de aguas profundas y poco profundas, Mapeo de hielos para
navegación, Rastreo de erosión de playa, Rastreo de derrames de
petróleo y contaminantes, Batimetría, etc.
6.- Medio ambiente: Monitoreo de superficies mineras y
reclamación, Mapeamiento y monitoreo de aguas contaminantes,
Determinación de los efectos de desastres naturales, Monitoreo de
efectos ambientales provocados por el hombre, Evaluación de los
efectos de la sequía, Emplazamientos para la eliminación de
desperdicios sólidos, Emplazamientos para centrales eléctricas y otras
industrias, etc.
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2.9.1 Errores en la captación de una Imagen Satelital
Dentro de todo el proceso de captación de una escena completa
de una Imagen Satelital aun cuando, la plataforma satelital y el
sensor estén configurados correctamente, no esta exenta de errores
los que se pueden clasificar en 5 tipos básicos.
1.- Distorsiones Provocadas por la Plataforma Satelital
Al igual que le ocurre a un avión pero en menor medida, el
satélite esta sujeto a oscilaciones, sean estas de altitud, velocidad y
orientación de sus tres ejes, producen una alteración de la relación
entre la superficie terrestre y la matriz de los datos de la imagen.
2.- Distorsiones Provocadas por la Rotación de la Tierra
Debido a que cualquier satélite se encuentra a una altitud de la
superficie terrestre y a que se requiere cierto tiempo en la obtención
de una escena completa de una Imagen Satelital, la superficie
terrestre ya se habrá desplazado desde el inicio de la toma de la
imagen hasta el final de la misma.
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3.- Distorsiones Geométricas Provocadas por el Sensor
Todo lo que significa la captación de una Imagen Satelital
completa implica un proceso bastante complejo y complicado, en el
cual se pueden producir pequeños errores, los que hagan que por
ejemplo los píxeles de la imagen no sean todos del mismo tamaño.
4.- Distorsiones Radiométricas Provocadas por el Sensor
Cada sensor cuenta con varios detectores por banda, en los que
algunos de ellos puedan sufrir algún tipo de descalibración, lo que
puede producir un efecto de bandeamiento en la imagen y en el caso
más extremo la perdida de píxeles hasta de líneas completas.
5.- Distorsiones Provocadas por la Atmósfera
Debido a la interacción de la Radiación con la Atmósfera.
La corrección de los tres primeros se conoce como Corrección
Geométrica, del cuarto Corrección Radiométrica y del quinto
como Corrección Atmosférica.
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2.10 Programa Landsat
Este programa fue elaborado a fines de la década de los 60, por
los Estados Unidos, en el que construyeron el primer satélite
exclusivamente dedicado a la observación de los recursos terrestres;
el primero de estos satélites fue lanzado en Julio de 1972, ya después
del segundo lanzamiento en 1975, este programa se ha convertido en
el proyecto mas fructífero de la teledetección espacial, esto por las
características del satélite, la buena resolución de sus sensores, el
carácter global y periódico de sus observaciones y su buena
comercialización.
Los primeros 3 satélites Landsat tenían como características, su
orbita era Heliosincrona, polar, con altura orbital de 917 Km., orbitaba
la tierra 14 veces diarias y cada 18 días podía volver a la misma
porción de superficie terrestre, llevaban incorporado el sensor
multiespectral scanner (MSS), una de las características de este
sensor era que registraba las imágenes en cuatro bandas del espectro
electromagnético, restringiendo solo al estudio de usos de suelos,
vegetación, rasgos morfológicos y otros a gran escala.
En los programas espaciales Landsat-4 y Landsat-5,
incorporaron otro tipo de sensor el multiespectral Thematic Mapper
(TM), modificando también la fisonomía del satélite y sus
características orbitales, la altura de vuelo se redujo de 917 a 705
km, mejorando el ciclo de recubrimiento de 18 a 16 días para pasar
por la misma porción de superficie terrestre, este nuevo sensor
aumentó enormemente las posibilidades de estudio de cubiertas
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terrestres debido al aumento en la cantidad de bandas y su mejor
resolución espacial (Chuvieco, 1996).
2.10.1 Landsat-7
El Satélite Landsat-7 (Figura 2.5) es parte de NASA ESE (Earth
Science Enterprise), un negocio conjunto de NASA y USGS (United
States Geological Survey). El objetivo de esta misión es extender y
mejorar el registro de imágenes de las superficies continentales de
Tierra proveído por el anterior satélite Landsat.
Un lanzamiento de Landsat-7 tuvo lugar sobre un vehículo Delta
2 desde Vandenberg Air Force Base en Abril 15, 1999.
Figura 2,5: Satélite Landsat-7 ETM+.
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El Landsat-7 fue construido por LMMS (Lockheed Martin Missiles
and Space). A bordo de este se encuentra una grabadora con
memoria sólida (378 Gbit de capacidad para capturar datos) y un
instrumento único de observación: ETM+ (Enhanced Thematic Mapper
Plus).
2.10.2 Orbita del Satélite Landsat-7
Los satélites Landsat poseen órbitas repetitivas circulares casi
polares, sincrónicas al sol, que duran 99 minutos. La altura de la
órbita puede variar de acuerdo a las irregularidades de la orbita y la
forma no esférica de la Tierra. Las mayores altitudes ocurren en el
Polo Norte y en el Polo Sur, las altitudes mínimas ocurren en el
Ecuador. La altitud promedio es de 705,3 Km.
Landsat pasa sobre el ecuador con un ángulo de inclinación de
98.22 grados, cruzando el ecuador de norte a sur a las 10:00 horas y
10:15 horas UTC (Tiempo Universal Coordinado) es la zona horaria de
referencia respecto a la cual se calculan todas las otras zonas del
mundo. Después de 16 días, este satélite retorna a su punto de
partida y repite el ciclo. Este ciclo orbital de 16 días sigue el
Worldwide Reference System (WRS) de Landsat, que viene a ser una
grilla de referencia que divide al globo en 233 pasadas, de polo a
polo. Cada pasada del satélite está dividida en 248 filas. Cada
pasada/fila es una escena completa de Landsat, 170 km. (Norte-Sur)
por 185 km. (Este-Oeste). Todas estas características hacen que el
Landsat pase por un determinado lugar a la misma hora.
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2.10.3 Sensor ETM+
Sensor ETM+ (Enhanced Thematic Mapper Plus), fue construido
por Raytheon SBRS (Santa Barbara Remote Sensing), Goleta, CA;
este sensor tiene 8 bandas que barren la superficie terrestre
radiometricamente. Las diferencias principales entre el ETM+ y la
anterior serie TM (Tabla nº 2,2) son la adhesión de 15 m de
resolución en el pancromático y el aumento de niveles digitales a 8-
bit. El sensor ETM+ agrega una Resolución de 60 m a la banda
térmica (banda Nº 6), reemplazando los 120 m de del sensor TM. El
sensor ETM+ tiene contemplado una vida de diseño no superior a los
7 años.
Sensor Landsat MSS (LS-1-5) TM (LS-4/5) ETM+ (LS-7)
Bandas espectrales
(µm)
1)0.5-0.6 2)0.6-0.7 3)0.7-0.8 4)0.8-1.1
1)0.45-0.52 2)0.52-0.60 3)0.63-0.69 4)0.76-0.90 5)1.55-1.75 6)2.08-2.35 7)10.4-12.5
P) 0.52 - 0.90 1) 0.45 - 0.52 2) 0.53 - 0.61 3) 0.63 - 0.69 4) 0.78 - 0.90 5) 1.55 - 1.75 7) 2.09 - 235 6) 10.4 - 12.5
Ancho de barrido 185 Km. 185 Km. 185 Km.
Resolución Espacial
80 m.
30 m. 120 m. en la
banda térmica (IRt)
30 m. 60 m. en la banda
térmica (IRt) 15 m. en la
Pancromática.
Resolución radiométrica
6 bit 8 bit 9 bit (8 bit
transmitidos)
Masa del instrumental
54 kg. 258 kg.
318 kg scanner, plus
103 kg AEM, plus 20 kg
Poder Promedio 50 W 332 W 590 W Apertura del
telecopio 23 cm. 40.6 cm. 40.6 cm.
Tabla 2,2: Diferencias entre los distintos Sensores Landsat.
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La banda pancromática es la mayor novedad que tiene el sensor
ETM+, la resolución de esta banda es de 15 metros, lo que hace que
fusionadas con las demás bandas permitan obtener ampliaciones de
hasta escala 1: 25.000.
La banda 6 con sus 60 metros permite entre sus aplicaciones,
análisis de medición relativa de temperatura radiante o un cálculo de
temperatura absoluta.
2.10.4 Niveles de Corrección de la imagen Landsat ETM+
Para todas las imágenes, siendo valido para todos los satélites
comerciales, las correcciones son algoritmos de rectificación de la
imagen cruda que son aplicadas por la estación de recepción, este
cálculo es realizado de acuerdo a los parámetros espaciales que se
encuentran en los archivos de la imagen (como los datos de
posicionamiento y las efemérides), estos archivos logran minimizar las
variaciones espaciales de la imagen cruda, estas correcciones son por
ejemplo: corrección del ángulo de curvatura terrestre, variaciones de
velocidad, altura y actitud del satélite, desplazamientos orbitales, etc.
Para las imágenes Landsat están disponibles en 2 niveles, Nivel 0 y
Nivel1:
Nivel 0 o más conocido como Nivel 0R son imágenes en donde
no se han aplicado ningún tipo de corrección, vienen en formato HDF.
Nivel 1R se le aplican correcciones radiométricas, vienen en
formato HDF.
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Nivel L1G son imágenes que tienen corrección radiométrica y
correcciones geométricas, vienen en formatos HDF, GeoTIFF, FastL7a
(Ficha Técnica de Landsat).
2.11 Procesamiento de las Imágenes Satelitales
2.11.1 Correcciones Radiométricas
Se refiere a la remoción o disminución de las distorsiones en el
grado de energía electromagnética registrada por el sensor.
Una variedad de agentes puede causar distorsiones en los
valores registrados por cada celda en la imagen. Algunas de las
distorsiones más comunes son producidas por:
1.- Efectos atmosféricos
Las partículas atmosféricas y las moléculas causan efectos de
dispersión en la transmisión de la energía, sobre todo en las
longitudes de onda cortas. El efecto de la niebla es usualmente una
elevación uniforme de los valores espectrales, en las bandas visibles
del espectro electromagnético.
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2.- Efectos de Ruido
Los ruidos en las imágenes suceden debido a interferencias
mecánicas en el sistema que conduce a errores de transmisión. El
ruido puede o degradar la señal registrada o virtualmente eliminar
toda la información radiométrica. El ruido puede ser sistemático como
el mal funcionamiento periódico de un detector, el cual resulta en el
bandeamiento de la imagen. Puede ser más al azar cuando causa
variaciones radiométricas descritas como “sal y pimienta” debido a
que producen valores que son anormalmente altos y bajos en relación
a sus vecinos.
3.- Los Efectos de Cambios en el Tiempo
Para estudiar patrones de reflectancia en diferentes tiempos o a
través de mosaicos de imágenes es necesario calibrar los valores de
radiancia para que los niveles de reflectancia absolutas de los objetos
medidos por diferentes Sensores correspondan a través de imágenes
separadas. Este procedimiento puede ser requerido también para
normalizar los ángulos solares y las distancias tierra sol.
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2.11.2 Correcciones Geométricas
Como se nombro anteriormente, las imágenes están referidas a
un sistema de coordenadas propio i=intensidad (c=columna, f=fila),
el que en consecuencia no esta referido a ningún sistema de
referencia, por lo tanto, esta corrección lo que realiza es el cambio de
posición en los píxeles de la imagen, modificando la geometría de la
imagen original.
A grandes rasgos se puede decir que la posición de los píxeles
de la imagen vienen referidos al sistema de coordenadas i (c, f),
dentro de una matriz propia de la imagen, y al corregirla
geométricamente se pretende superponer las coordenadas de
referencia, las que pueden ser tomadas en terreno, coordenadas UTM
o Geodesicas provenientes de alguna Carta o Mapa, sobre el sistema
de coordenadas de la imagen. Generando con esto que la imagen esté
modificada en la posición a un nuevo sistema de coordenadas
pudiendo con esto corregir geométricamente el sistema imagen.
Para realizar el proceso de corrección geométrica existen dos
procesos:
1.- Corrección a Partir del Modelo Orbital.
En esta corrección se identifica la posición del satélite para que
la imagen obtenida a través del sensor pueda ser referenciada a las
coordenadas de interés. Es necesario tener las características
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Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
orbitales del satélite y del sensor para poder corregir los errores
geométricos sistemáticos.
Estos errores pueden ser corregidos conociendo las efemérides
de la plataforma y también conociendo las distorsiones internas del
sensor. Debido a la Rotación de la Tierra existe una deformación en
el píxel esto es por el constante desplazamiento de la tierra; también
esta la Distorsión Panorámica y el efecto de Curvatura
Terrestre viéndose reflejado en el aumento del tamaño del píxel a
medida que se aleja de la línea del nadir.
2.- Corrección a Partir de Puntos de Control
Debido a que la plataforma satelital tiene variaciones de,
velocidad, altitud y orientación (alabeo, cabeceo y giro lateral), hace
que la imagen contenga errores de posicionamiento, los que en
definitiva para que puedan ser corregidos es necesario comparar los
elementos físicos grabados en la imagen con puntos representativos
de terreno, obtenidos ya sea, a través de coordenadas de un mapa o
a través de un Sistema de Posicionamiento Global GPS, a estos
puntos representativos se les conoce como Puntos de Control o GCP
(Ground Control Points). Este procedimiento necesita gran
intervención humana para la identificación de estos puntos tanto en la
imagen como en la base cartográfica con que se cuenta, obteniéndose
alta precisión cuando se reconocen rasgos comunes en ambas
plataformas.
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Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
Los puntos de control son usados en la corrección de las
distorsiones de la imagen comparando las coordenadas de la imagen
con las coordenadas de referencia, generando así la matriz de
transformación.
El proceso de corrección geométrica se realiza a través de 3
fases:
a) Localización de Puntos comunes entre la Imagen y el
Mapa o Imagen de Referencia.
Esta parte del proceso es la que necesita mas intervención
humana, es importante tener mucho cuidado en la identificación de
puntos comunes tanto en la imagen como en la base cartográfica con
que se cuente, de esto dependerá la precisión que se alcance en el
ajuste de la imagen, una mala elección de estos puntos comunes
arrojaría una corrección geométrica errónea. Para que el ajuste de la
imagen sea correcto es necesario tomar en consideración: Cantidad,
ubicación y distribución de los Puntos de Control.
b) Cálculo de las Funciones de Transformación de
Coordenadas.
Es necesario para la corrección digital de la geometría de una
imagen, relacionar las coordenadas del mapa y las de la imagen
estableciendo funciones matemáticas, para obtener de las
coordenadas del mapa (X,Y) las coordenadas estimadas
correspondientes a esa localización en la imagen. Esta transformación
Universidad de Santiago de Chile 36
Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
puede expresarse como:
YXa kjkj
jmkmiS ××=
−−==
∑∑,0,0
ˆ
(Formula n° 4)
∩
S Coordenada estimada de la imagen corregida.
YX , Coordenadas del mapa.
m indica el grado del polinomio de ajuste.
Para una ecuación lineal queda:
YaXaa iiC ×+×+= 210ˆ
YbXbb iiI ×+×+=210
ˆ (Formula n° 5)
∩∩
IC, Coordenadas estimadas columnas y filas.
bbbaaa 210210,,,,, Coeficientes de regresión.
La función lineal seria necesaria para abordar variadas
transformaciones planas de la imagen, como cambiar su escala, el
origen, inclinarla, modificar la relación entre sus ejes y rotarla.
Para imágenes con contrastes altimétricos importantes,
influencia de la curvatura terrestre, la distorsión del sensor, etc. Se
pude aplicar una transformación de segundo o tercer grado, ya que en
estas se abordan alteraciones no lineales, esto es por ejemplo, en
imágenes que cuentan con mayor cobertura espacial, si bien esto
puede producir muchas veces que el error del método de remuestreo
Universidad de Santiago de Chile 37
Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
se minimice, la solución polinómica se vuelve más inestable en los
extremos haciendo que se deforme el ajuste en los extremos de la
imagen, a esto se le denomina Oscilación Polinómica (ver figura 2,6),
que para evitarla es necesario mantener una relación entre el orden
del polinomio y la cantidad de puntos de control (GCP). A mayor
orden de polinomio mayor es la cantidad de GCP y como regla general
a mayor orden mas lejos debe estar él numero de GCP del mínimo
impuesto por el método para cada orden polinómico: 3 puntos para
un polinomio de primer orden, 6 puntos para un polinomio de
segundo orden, 9 puntos para un polinomio de tercer orden.
Figura 2,6 Oscilación Polinómica
(pdf. IAFE Conicet Argentina)
Las ecuaciones de transformación para un polinomio de orden t
esta dada por:
yxaXjji
k
i
j
t
i××= −
==∑∑
000
yxbYjji
k
i
j
t
i××= −
==∑∑
000 (Formula n° 6)
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Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
donde:
jjiik ++×
=2
t: es el orden del polinomio
ba kk , : Coeficientes de la ecuación
La cantidad de coeficientes de la matriz de transformación
también depende del orden del polinomio t, dado por:
)2()1( +×+ tt
El calculo de los coeficientes de transformación se efectúan a
través de los puntos de control obtenidos del mapa y el método más
utilizado es el método de los mínimos cuadrados.
El grado del ajuste obtenido se mide por la diferencia entre el
valor estimado y observado en cada uno de los puntos muéstrales de
proceso. El promedio de estos residuales se conoce como error medio
cuadrático (Root Mean Squared, RMS).
El RMS se obtiene de la raíz cuadrada de las desviaciones entre
los valores observados y los estimados:
2;2, )()( YiYtXiXtRMS −+−=
(Formula n° 7)
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donde:
),( YtXt : Coordenadas de control (terreno)
),( ,, YiXi : Coordenadas de la imagen ajustada
Se Puede determinar el error medio cuadrático para cada punto,
el cual corresponderá al Error Longitudinal (EL) de ese punto, el
promedio del error longitudinal de los puntos (ELM), nos determinara
la distancia media en que se encuentran las coordenadas reales y las
estimadas.
nELM ni iEL∑ == ,1
(Formula n° 8)
Estos errores se pueden usar para evaluar la calidad del ajuste,
si el error promedio supera el limite establecido para la precisión del
ajuste, será conveniente corregir los puntos que tengan un elevado
error longitudinal o eliminarlos si la posición es dudosa y elegir otros
nuevos.
c) Métodos de Remuestreo
Si bien las funciones de transformación sirven para convertir las
coordenadas de la imagen en coordenadas del mapa, es necesario
trasvasar los Niveles Digitales (ND) de la imagen corregida a esta
nueva posición.
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Se supondría que cada píxel de la imagen corregida debería
corresponderse a un solo píxel en la original, pero no es así, debido a
que el píxel de la nueva imagen se ubica entre varios de la imagen
original, lo que implica una relación de vecindad del píxel en cuestión
y los valores vecinos en la grilla de referencia.
Para este traspaso de los niveles digitales a la imagen corregida
existen tres métodos:
- Vecino más Próximo (Nearest Neighbour)
Asigna a cada píxel de la imagen corregida el valor del píxel
más cercano de la imagen original, siendo este método el más rápido;
teniendo como ventaja que mantiene los valores originales, sin
promediarlos, lo que es positivo para discriminar tipos de vegetación
o determinar niveles de turbidez o temperatura del agua. Como
desventaja tiene que produce el efecto de “Escalones”, que son
distorsiones en los rasgos lineales de la imagen visualizándose por
ejemplo en carreteras, caminos, etc. Produciendo que se vean como
líneas quebradas.
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- Interpolación Bilineal (Bilinear Interpolation)
Promedia los ND de los cuatro píxeles más cercanos en la
original. Como ventaja es que no tiene el efecto de “Escalones” como
el método anterior reduciendo la distorsión en los rasgos lineales y
tiene mejor exactitud espacial, pero al promediar los píxeles tiene una
baja frecuencia de convolución, es decir, algunos de los datos pueden
perderse.
- Convolución Cúbica (Cubic Convolution)
Este método es muy similar al anterior salvo que considera los
16 píxeles más cercanos, asiendo que el volumen de cálculo sea
mucho más elevado. La ventaja es que la mayoría de los casos la
media y varianza de los píxeles de salida concuerdan con los de
entrada mas que en cualquiera de los otros métodos, mejora la
imagen reduciendo el efecto del ruido, se recomienda este método
cuando se modifican el tamaño de las celdas de los datos, mejora
visualmente los aspectos lineales en la imagen. La desventaja es que
es el método más lento de todos y es en donde más son modificados
los datos originales.
En general los dos métodos más utilizados son el Vecino más
Cercano y la Convolución Cúbica; el primero por conservar la
radiometria original, pero genera corrimiento de la geometría local en
cuanto a la posición de los píxeles; la Convolución conserva la
geometría local pero cambia los valores radiométricos y toma más
tiempo de procesamiento.
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2.12 Modelos del Terreno
Un modelo “Es una representación simplificada de la realidad en
la que aparecen algunas de sus propiedades.” (Joly, 1988, citado por
Felicísimo, 1994).
Los modelos pretenden representar algunas de las propiedades
de objeto real con el fin de estudiar de forma simple y comprensible
una porción de este.
2.12.1 Tipos de modelos
Los modelos se pueden clasificar en las distintas formas de
establecer la relación de correspondencia. (En Turner (1970) se
distinguen tres tipos de modelos básicos).
1.- Modelo Icónicos
En los modelos icónicos la relación de correspondencia se
establece a través de las propiedades morfológicas, habitualmente un
cambio de escala manteniendo el resto de las propiedades
topológicas. Un ejemplo corresponde a una maqueta, esta es una
representación de cualquier estructura en donde se reduce el tamaño
manteniendo las relaciones dimensiónales básicas.
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2.- Modelos Análogos
Los modelos análogos se construyen a través de un conjunto de
convenciones que sintetizan y codifican las propiedades del objeto
real. Un ejemplo es un mapa impreso, construido a través de un
conjunto de convenciones cartográficas relativamente complejas, en
donde el resultado es claramente distinto del objeto representado,
este cambio busca poder interpretar dentro del mapa algunas
propiedades como distancias, alturas, ubicación geográfica, etc.
3.- Modelos Simbólicos
Los modelos simbólicos representan el objeto real mediante una
codificación matemática (geometría, estadística, etc.). Un ejemplo es
la representación de un edificio mediante la identificación y
codificación en una estructura geométrica de sus elementos básicos,
para por ejemplo aplicar un algoritmo que estime el esfuerzo al que
está sometido.
4.- Modelos Analógicos y Modelos Digitales.
La información de los modelos digitales está codificada en cifras,
lo que permite un tratamiento informático. Esto dice que los modelos
digitales están en la categoría de los modelos simbólicos, por lo que
para su construcción es necesario un proceso de codificación de la
información para que puedan ser manejables por medios informáticos.
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En cambio los modelos analógicos están en la categoría de
modelos icónicos o análogos, por que su construcción no requiere un
proceso de codificación de la información.
5.- Modelos Digitales de Terreno (MDT)
“Un Modelo digital de terreno es una estructura numérica de
datos que representa la distribución espacial de una variable
cuantitativa y continúa” (Felicísimo). Son en consecuencia, modelos
simbólicos, ya que, las relaciones que se establecen con el objeto real
tienen la forma de algoritmos o formalismos matemáticos.
Propiedades básicas de los Modelos digitales de terreno:
• La construcción de la estructura de datos debe realizarse de
acuerdo a una estructura interna. Que almacene y vincule las
unidades de información entre sí.
• Representan la distribución espacial de una variable,
modelando fenómenos geográficos y morfológicos.
• La variable representada debe ser cuantitativa y de
distribución continua.
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6.- Modelos Digitales de Elevación (MDE)
Los modelos digitales es una estructura numérica de datos de
elevación que representan la distribución espacial de la altimetría de
la superficie de un terreno.
El MDE se puede describir de forma genérica como una función:
),( YXfZ = (Formula n°9)
En donde z el la altitud del terreno en un punto localizado en las
coordenadas (x, y).
La unidad básica de un MDE es el valor de la altitud (z)
acompañada con su localización (x, y), la forma de interrelacionarse
entre estas unidades básicas determinan las distintas estructuras de
datos.
Estas consideraciones nos llevan a diferenciar dos grupos de
MDE:
• Modelo de datos Vectorial: esta basado en entidades u
objetos geométricos definidos por las coordenadas de sus
vértices y nodos, se representan mediante puntos, líneas o
polígonos con sus respectivos atributos.
• Modelo de datos raster: esta basado en localizaciones
espaciales, a cada una se le asigna el valor de la variable
altitud. Los datos se representan en unidades llamadas
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celdas o en términos usados en proceso de imágenes,
Píxeles.
En estos dos modelos básicos, son posibles diversas variantes
de estructuras de datos:
a) Estructuras Vectoriales
• Contornos: polilíneas de altitud constante.
• TIN: red de triángulos irregulares adosados.
- Modelo Vectorial de Contornos
El modelo de contornos esta constituido por curvas de nivel,
separadas generalmente por intervalos constantes de altitud más un
conjunto de puntos acotados.
Estos modelos tienen como estructura básica la polilínea, que se
define como un vector con n pares de coordenadas (x, y) que describe
la trayectoria de las curvas de nivel.
El número de elementos de cada vector es variable lo que
permite la introducción de elementos puntuales.
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- Modelo Vectorial con Redes de Triángulos Irregulares
(TIN: Triangulated Irregular Network)
La estructura TIN esta formada por triángulos irregulares
adosados, estos triángulos se construyen basándose en tres puntos
cercanos no colineales distribuidos irregularmente.
Los diferentes triángulos forman un mosaico que se adosa al
terreno formando la superficie de este.
El método de triangulación más utilizado se denomina
Triangulación de Delaunay.
b) Estructuras Raster
• Matrices irregulares: malla de celda cuadrada.
• Quadtrees: matrices imbricadas en una estructura jerárquica.
- Modelo Raster con Matrices Regulares
Es el producto de superponer sobre el terreno una retícula que
genere una red de malla cuadrada para luego calcular la altitud media
en cada celda de la malla. La localización espacial de cada dato esta
sujeta a su situación en la matriz, una vez definidos su origen y el
valor del intervalo entre filas y columnas. Esta es la estructura más
utilizada en la construcción de MDE, por ser de fácil manejo
informático y simple de representar mediante matrices de dos
dimensiones.
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- Modelo Raster con Matrices Jerárquicas (Quadtrees)
La ventaja principal de estas matrices es que permiten
solucionar el problema de las matrices regulares, su resolución
espacial constante. Esta estructura puede presentar los elementos
como datos elementales como en las matrices regulares, o bien, a su
vez, en submatrices con un nivel de Resolución diferente. El resultado
final es una representación por niveles, cuya resolución espacial se
duplica en cada nivel.
La construcción del MDE, depende de la captura de los datos,
debido a que ellos serán los limitantes en los tratamientos
posteriores.
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2.12.2 Captura de Datos
Los métodos de captura de altitud se pueden dividir en dos
grupos:
1.- Métodos Directos (Primary Data): medición directa en
terreno.
• Altimetría: altímetros radar o láser transportados por
plataformas aéreas o satélites.
• GPS: sistema de localización por triangulación.
• Levantamientos topográficos: estaciones topográficas con salida
digital.
2.- Métodos Indirectos (Secondary Data): medición
estimada a partir de documentos previos (fuentes secundarias).
a) Restitución a Partir de Pares de Imágenes.
Estereo-imágenes digitales (imágenes tomadas por
satélites); Estereo-imágenes analógicas (Imágenes fotográficas
convencionales); Interferometría radar (imágenes de interferencia
de sensores radar).
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- Interferometría Radar
El concepto de Interferometría consiste en comparar dos
imágenes del mismo lugar tomadas desde la misma posición pero en
momentos diferentes. La diferencia de fases entre las imágenes
mostraba patrones de interferencia bastante claros. Si las dos
imágenes son tomadas desde el mismo sitio, no debería existir
diferencias de fases entre el mismo píxel de las dos imágenes, las
diferencias solo pueden deberse a cambios ocurridos entre las dos
tomas.
Al igual que lo anterior, pueden crearse Interferogramas con dos
imágenes tomadas al mismo tiempo pero desde lugares algo
diferentes, a lo largo del satélite o portando dos antenas
simultáneamente en vuelos paralelos y separadas a una distancia
determinada; en el ultimo caso la señal es emitida por una antena y
es recibida por ambas, los diferentes ángulos entre antenas y punto
de medida en la superficie logra una diferencia de fase la que se
puede visualizar por estereoscopia. También es posible usar una
antena y compara dos imágenes tomadas en diferentes orbitas, las
que deben estar dentro de un rango para no perder coherencia entre
ellas.
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Figura 2,7: Ejemplo de Interferograma
El 11 de Febrero del 2000, se lanzó al espacio un proyecto
denominado SRTM (Shuttle Radar Topography Mission), dependiente
del Jet Propulsión Laboratory, dos radares tomaran medidas
simultáneamente a 233 km de altura, cubriendo el 80% de la
superficie terrestre entre los paralelos 60° norte y 56° sur. El primer
radar estará en el fuselaje de la lanzadera y se desplegó un mástil a
60 metros de longitud en cuyo extremo se encuentra el segundo
radar.
b) Digitalización de Mapas Topográficos.
Automática (mediante escáner y vectorización); Mediante
tablero digitalizador.
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2.12.3 Métodos de Construcción del MDE
El MDE vectorial, no esta basado en localización espacial, esto
produce que en la búsqueda de los datos no muéstrales sea poco
eficaz, debido al elevado tiempo que se requiere.
Para la construcción de un MDE (matriz regular) a partir de
datos vectoriales se requiere identificar las localizaciones espaciales
de los puntos no muéstrales y estimar la altitud conociendo las
altitudes de puntos muéstrales en el entorno de cada punto.
Este procedimiento se efectúa interpolando cada punto en
función de su entorno, los métodos de interpolación de puntos
irregulares más conocidos son:
1.- Ponderación en función inversa de la distancia
(Inverse Distance Weighting IDW)
La estimación del punto problema se realiza a través de la
asignación de pesos a los datos del entorno del punto en función
inversa a la distancia que los separa, esto quiere decir que los puntos
más cercanos tienen un peso mayor en el cálculo que los pesos más
distantes, los pesos varían entre cero y uno para cada dato.
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La formula general de la IDW queda:
i
n
jijj ZZ k ˆˆ
1×= ∑
=
(Formula n° 10)
en donde
Z : Es el valor estimado para el punto j
n : Numero de puntos usados en la interpolación
iZ : El valor en el punto i-ésimo
ijk : Es el peso asociado al dato i en el cálculo del nodo.
En este método existe la interpolación mediante un radio de
búsqueda, otra variante es la búsqueda por cuadrante, la definición de
un número de datos mínimo y diversas formas de ponderar las
distancias.
Este método genera los MDE de una forma rápida y simple. Pero
no hay que olvidarse que esencialmente trabaja con media
ponderada, lo cual influye directamente la distribución de los puntos
originales.
2.- Superficies de Tendencia
Este método puede reflejar de mejor manera formas no
recogidas explícitamente por los datos originales. Se estiman las
superficies de tendencia a través de un conjunto de datos mediante el
ajuste de mínimos cuadrados.
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Reduciendo la ecuación polinómica a un plano de ajuste queda:
yaxaazxy ×+×+= 011000
(Formula n° 11)
Lo más recomendable es la utilización de polinomios de grados
mayores, ya que por su complejidad representa con mejor exactitud
la superficie topográfica.
Para una superficie de orden K la formula es:
jiik
jij
k
ixy YXaZ ××= ∑∑
−
== 00
ˆ
(Formula n° 12)
La designación del orden k dependerá del equilibrio que se
desee entre la complejidad de las operaciones y el grado de ajuste
que se requiera de los datos.
Los factores que afectan a las superficies de tendencia son: el
primero es que el número de datos debe ser suficiente para realizar
un análisis estadístico significativo, es decir, si el número de datos se
acerca al número de coeficientes de la ecuación, ésta pierde
significado estadístico; si se fuerza a realizar extrapolaciones (cuando
el punto no esta rodeado por los datos sino que estos se encuentran
lateralmente), los valores marginales pueden adoptar dimensiones
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disparatadas; si es que los datos no representan un área similar, la
superficie de tendencia se alargara a su patrón de distribución.
3.- Kriging (hipótesis de la variable regionalizada)
Este método asume que la altitud puede definirse como una
variable regionalizada, y por este motivo la variación espacial de la
variable puede ser explicada mediante funciones de correlación
espacial.
También se relacionan las altitudes de los puntos vecinos con la
altitud del punto, en función de sus distancias a estos. Esto quiere
decir que la influencia del punto vecino es mayor si es menor la
distancia entre ellos. Este método estima esta dependencia mediante
un factor estadístico: la semivarianza entre datos separados por
distancia diferentes.
Cuando la distancia es mayor la correlación entre los valores de
altitudes es menor, por lo tanto, la semivarianza obtiene valores
diferentes en función de la distancia.
El semivariograma es la función que relaciona la semivarianza
con la distancia, indica la variación de la correlación en función de la
distancia. También podemos obtener del semivariograma la distancia
en la cual ya no influyen los datos del entorno del punto (Ángel M.
Felicísimo).
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2.11 Ortorectificación
Si bien la rectificación es la proyección de datos en un plano de
acuerdo a una proyección cartográfica ,o dicho de otra forma, es
transformar los datos de un sistema de cuadricula en otro sistema de
cuadricula usando una transformación geométrica y realiza una
corrección bidimensional 2D; la georreferenciación es la asignación de
coordenadas de un mapa a los datos de una imagen, la rectificación
por definición asocia a la georreferenciación, ya que, todos los
sistemas de proyección cartográfica están asociados con coordenadas
cartográficas; LA ORTORECTIFICACIÓN es una forma de rectificación,
en donde se remueve la distorsión geométrica presentes en la
imagen, las que son producidas por la orientación de la cámara o
sensor, el desplazamiento debido al relieve y los errores sistemáticos
asociados con la imagen. Las imágenes ortorectificadas son
planimetricamente correctas, pues representan los objetos del terreno
en sus verdadera ubicación lo que indica que realiza un ajuste
tridimensional 3D. Para ortorectificar es necesario tener en cuenta las
distorsiones de la imagen generadas en el instante de su adquisición,
estas son:
Los parámetros geométricos requeridos en relación a la
orientación del sensor en el momento de la adquisición de la imagen
están determinados por medio de la información en el modelo del
sensor, los Puntos de Control en Tierra (GCPs) y la plataforma orbital
o datos de vuelo (posición, velocidad, orientación).
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Para corregir los desplazamientos del terreno en la imagen,
necesitamos conocer la altura de cada punto en las imágenes para así
poder "mover las imágenes hacia arriba o hacia abajo" con respecto a
un punto de referencia. Esto se logra por medio del uso de un Modelo
Digital de Elevación (MDE).
DEM + Imagen Plana = MDT
3D = 3D
Figura 2,8: Ilustración de una ortoimagen (Manual Erdas)
La ortorectificación, por lo tanto, aplica la modelación
geométrica y un MDE a la imagen cruda, luego la transforma en una
proyección ortogonal en donde cada punto de la imagen aparece
como si el observador estuviera mirando directamente hacia abajo. La
imagen ortorectificada se conoce como ortoimagen. De esta forma la
escala es constante sin importar la elevación de la ortoimagen y se
pueden medir correctamente las distancias y las direcciones.
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2.14 Cartografía
Conjunto de operaciones que tienen por objeto la concepción,
preparación, redacción y realización de los mapas y planos, así como
su uso. Incluye todos los trabajos que van desde la observación
directa sobre el terreno o la explotación de una documentación escrita
hasta la impresión definitiva y difusión de los documentos elaborados.
2.12.1 Base de la Cartografía
El estudio de la forma de la tierra corresponde a una disciplina
específica la Geodesia, siendo esta la que entrega a la geografía y a la
cartografía los datos que se requieren para la localización, medición y
representación de los elementos y fenómenos de la superficie
terrestre.
2.12.2 Formas de la tierra
Desde el punto de vista geodésico se asimila la tierra como una
figura geométrica, la que se puede medirse, expresarse y
representarse matemáticamente.
La Tierra mirada de manera general, se puede considerar como
una esfera, bajo esta concepción la Tierra seria un cuerpo regular, con
todo los radios idénticos y superficie lisa; pero la forma matemática
mas cercana a la realidad seria como un elipsoide, cuerpo geométrico
que se genera por una elipse girando en torno a su eje menor, el
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valor de sus radios es máximo en el ecuador y mínimo en los polos,
siendo el elipsoide la figura matemática mas representativa de la
Tierra.
Otra aproximación es el geoide, el que corresponde al nivel
medio de los mares, prolongados idealmente bajo los continentes y
cuyas aguas no están afectadas bajo ningún movimiento. El geoide es
un cuerpo irregular, de superficie ondulada, ya que en su
determinación esta considerada la fuerza de gravedad terrestre, la
cual varía de un punto a otro por la desigual repartición de masa de la
corteza terrestre. Si las masas terrestres tuvieran una repartición
homogénea se obtendría un cuerpo regular, que en este caso
correspondería al elipsoide, el cual sirve de referencia al geoide. La
superficie del geoide se determina en base a la gravedad observada
en el lugar y esta calculada a nivel medio del mar.
De este modo el geoide, presentara sectores en que su
superficie se encuentra mas elevada que la del elipsoide y, en otros,
mas hundida. En los continentes, el geoide alcanza una elevación de
20 a 30 metros sobre el elipsoide, ya que las masa continentales que
se encuentran sobre el nivel del mar, hacen que la fuerza de gravedad
al nivel medio de las aguas, sea menor, lo contrario ocurre en las
cuencas oceánicas en donde la superficie del geoide quedara mas baja
que el elipsoide.
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Una característica del geoide es que todos los puntos de su
superficie tienen igual intensidad de fuerza de gravedad y que la
vertical verdadera o dirección determinada por la plomada es siempre
perpendicular a su superficie.
La forma del geoide es de especial interés para la geodesia y se
aplica en muchos aspectos, tales como levantamientos topográficos y
dirección de satélites artificiales, entre otros, estas mediciones de
precisión utilizan instrumentos que obedecen a la fuerza de gravedad,
como la plomada y los niveles. No obstante, para los objetos que
persigue la geografía y la cartografía son suficientes las formas
esféricas y elipsoidales, las cartas en su gran mayoría consideran a la
tierra como esfera y solo las más precisas utilizan las medidas del
elipsoide.
Varios astrónomos y geodestas han logrado establecer las
medidas del elipsoide terrestre, el cual tiene una diferencia entre el
radio ecuatorial y el radio polar de aprox. 21 km. La relación entre
ambos radios permite determinar matemáticamente el achatamiento
terrestre, el cual se calcula:
abaf −
= (Formula n°13)
f = achatamiento terrestre
a = radio ecuatorial
b = radio polar
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Gran parte de la cartografía chilena a escala 1:50.000 esta
confeccionada en base a las medidas del elipsoide de Hayford, las
cuales se adoptaron internacionalmente en 1924, (elipsoide
internacional 1924), mas reciente es el elipsoide sudamericano de
1969.
2.12.3 Coordenadas
Es el resultado de proyectar un punto sobre los ejes de
coordenadas, denominadas usualmente como x, y, z.
1.- Coordenadas Geográficas
La posición de un punto sobre la tierra esta definido por dos
ejes de coordenadas, el meridiano y el paralelo que se recortan en
ángulo recto. La tierra es partida en cortes por los círculos que pasan
por los polos; estos son los meridianos. La longitud es el ángulo
formado por un plano meridiano puesto como origen y el plano
meridiano del lugar. Los meridianos tienen sensiblemente el mismo
largo 111 Km.
Los paralelos son los pequeños círculos de la esfera terrestre
donde el plano es paralelo al Ecuador. La latitud es el ángulo formado
por la vertical del lugar y su proyección sobre el Ecuador, se puede
decir entonces que es la medida del arco del meridiano comprendido
entre el Ecuador y la paralela del lugar. Los paralelos son pequeños
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círculos concéntricos donde la circunferencia disminuye del Ecuador al
polo, el largo de 1 paralelo varia.
La intersección de los paralelos y los meridianos es un ángulo
recto, el área entre dos paralelos y dos meridianos disminuye a
medida que se aleja del ecuador.
A fines del siglo XIX, por acuerdo internacional se adopto como
meridiano 0 o de origen a aquel que correspondía al observatorio de
Greenwhich, de ahí su nombre. Los meridianos se enumeraron de 0°
a 180° E y W, siendo 0 Greenwhich y 180° su opuesto y 360° la
vuelta completa. Los paralelos se enumeran desde el Ecuador hacia
los polos de 0° a 90° N y 90° S.
2.- Coordenadas Geodesicas
Se les denomina a la Latitud (φ), Longitud (λ) y la altura
elipsoidal (h), como coordenadas geodesicas. Son elementos
geométricos que determinan la posición de un punto mediante una
figura matemática que representa a la Tierra (elipsoide). (Manual de
carreteras Vol. 2).
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3.- Coordenadas Cartesianas
Es también conocido como coordenadas planas, en este sistema
el elipsoide esta asociado a un sistema cartesiano ortogonal, formado
por los ejes X, Y, Z. El eje X esta contenido en el plano ecuatorial,
orientado al meridiano cero (Greenwich), Z coincide con el eje de
rotación terrestre y esta orientado en la dirección del polo norte, el
eje Y completa el sistema dextrógiro (sentido mano derecha). (Manual
de Carreteras Vol. 2).
2.15 Noción de Escala
La representación grafica del espacio geográfico se realiza por
medio de un mapa. El cual es la representación geométrica plana
simplificada y convencional, de toda o parte de la superficie terrestre,
en base a una proyección geométrica y estableciendo una relación de
proporcionalidad entre las longitudes de los elementos representados
en el mapa o carta y sus magnitudes lineales reales en el terreno.
Esta relación se conoce como escala, y generalmente, se
expresa como una razón: 1:50.000 o 1/50.000, lo que significa que
una unidad de medida en la carta o mapa representa 50.000 unidades
en el terreno. La relación 1:50.000 significa que: un centímetro
medido en el mapa o carta representa 50.000 centímetros o sea
5.000 m. en el terreno.
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2.15.1 La Escala de una Carta Se llama escala de una carta, el producto entre las dimensiones
medidas sobre la carta y las dimensiones medidas sobre la tierra, se
escribe de la siguiente manera: 1/50.000 o 1:50.000.
La calificación de grande y pequeña es sin duda objeto de
confusión. Se pueden adoptar las siguientes definiciones, cuando el
producto es pequeño la escala es grande, mientras cuando el
producto es grande la escala es pequeña.
La escala es el elemento fundamental de una representación
cartográfica. Ella comanda la elección del fondo de la carta así como
la estructura de la carta.
Las escalas graficas establecen la misma relación que las
anteriores, solo que en este tipo de escala la relación de
proporcionalidad esta representada por una grafica, lineal o
logarítmica.
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2.16 Proyecciones Cartográficas.
Una proyección cartográfica es la representación de paralelos y
meridianos en un plano. Para una mejor representación de la realidad
para determinadas áreas o para toda la superficie de la Tierra es que
existen muchos sistemas de construcción de proyecciones, de las que
se permiten reproducir diferentes cualidades de la red de
coordenadas.
2.16.1 Sistema de proyección Universal Transversal de Mercator (UTM)
La conferencia llevada a cabo por la Unión Internacional de
Geodesia y Geofísica en Bélgica en 1951, recomendó la proyección
UTM para el levantamiento de mapas y cartas y determinación de
coordenadas geodesicas.
Para esta proyección el globo ha sido dividido en 60 husos de 6
grados, cada uno de los cuales tiene un meridiano central que recibe
el nombre de meridiano 0° u origen o eje del huso, de este modo la
amplitud de cada huso es de 3° al Oeste y 3° al Este del meridiano
central respectivo, que tiene un factor de escala (K) de 0.9996.
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El orden de numeración de los husos esta dado de oeste a este.
El huso primero abarca desde los 180° hasta los 174° W, siendo su
meridiano central el 177° W (así mismo siguen los demás husos). Los
husos tienen su sector mas ancho en el ecuador y se estrechan hacia
los polos, limitándose a los 80° de latitud norte y sur. Por la ubicación
geográfica que tiene Chile Continental se encuentra entre los husos
18 y 19 con meridianos centrales de 75 y 69 grados respectivamente.
Las cartas construidas en la proyección UTM, además de utilizar
las coordenadas geográficas propias de toda proyección, emplean un
sistema de coordenadas planas expresadas en kilómetros. Las
coordenadas planas están conformadas por un reticulado sobrepuesto
a las coordenadas geográficas, el cual es coincidente con el Ecuador y
el meridiano central del respectivo huso.
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2.17 Datum El Datum es un punto físicamente monumentado que se utiliza
como referencia para posicionar el modelo matemático de la esfera
terrestre o elipsoide que representa simplificadamente la superficie de
la Tierra. A nivel de todo el planeta se ocupa un Datum global, y
cuando se trabaja en un área geográfica determinada se utilizan
datum locales. Existen datum horizontales para trabajar
planimetricamente y datum verticales que permiten trabajar con los
desniveles.
2.15.1 Sistema WGS84 (World Geodesic System 1984)
Sistema geodésico mundial seleccionado por el departamento de
defensa de los EEUU desde 1987 como sistema de referencia terrestre
para el sistema de posicionamiento global (GPS). Está determinado
por un elipsoide cuyos parámetros elipsoidales son:
Elipsoide GRS-80
Semi–eje mayor (a) 6.378.137 m
Semi-eje menor (b) 6.356.752,314 m
Achatamiento (1/f) 298,257223563
Excentricidad (e2) 0,00669437999
Velocidad Angular de la Tierra ω= 7.292.115∗10-11 rad/s
Constante Gravitacional µ=3.986.004,418∗108 m3/s2
Tabla 2,3: Parámetros elipsoidales del sistema WGS84
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Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
Dado que la concepción de los sistemas WGS fue estrictamente
militar el IAG (Asociación Internacional de Geodesia) promueve la
versión civil de los sistemas globales de referencia GRS (Geodetic
Reference System) GRS67 y GRS80, de hecho, el elipsoide asociado al
WGS84 es el del sistema GRS80. En la práctica puede asumirse que
los sistemas WGS84 y GRS80 son iguales (Teunissen and Kleusberg
1998).
La característica fundamental de este sistema es que el origen
de las coordenadas cartesianas es geocéntrico, el elipsoide de
referencia a parte de las características geométricas se le especifican
características físicas (velocidad angular, constante gravitacional
geocéntrica y potencial gravitacional).
Hoy en día este sistema esta materializado en el proyecto
SIRGAS (Sistema de Referencia Geocéntrico para las Américas), que
consta con una red geodésica distribuida para todo el continente,
conformada por 183 estaciones, cuyas coordenadas están calculadas
a la red científica ITRF (International Terrestrial Reference Frame)
establecida por el Servicio de Rotación terrestre IERS (International
Earth Rotation Service). El sistema WGS84 es compatible con el ITRF
ya que su posición geocéntrica y su orientación esta definida con el
eje de rotación Z en dirección del Polo de Referencia del IERS, el eje
X en la intersección del Meridiano de Referencia del IERS y el Plano
Ecuatorial, el eje Y completa el sistema dextrógiro (sentido mano
derecha).
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Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
La representación en Chile esta a cargo del Instituto Geográfico
Militar (IGM), siendo la entidad responsable de la Red Geodésica
Nacional y de la Cartografía regular de todo el país.
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Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
Capitulo 3
1. Desarrollo
3.1 Análisis de los Materiales
Consideraciones Previas
Cabe recordar que para todo el procesamiento digital de
imágenes satelitales, es necesario antes de realizar cualquier
procedimiento, tener en cuenta cual(es) son el(los) objetivo(s)
final(es) del trabajo en que se requiera ocupar la imagen, en este
caso, la Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales, pretende
obtener el mayor provecho de una imagen satelital, en este caso
Landsat, con el objetivo de actualizar cartografía específicamente de
la Región Metropolitana de Chile.
Teniendo claro lo anterior se realiza el análisis del material con
que se pretende trabajar en el proceso de actualización, y de acuerdo
a esto, comenzar a realizar todos los procedimientos y
procesamientos respectivos en pos del resultado final.
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Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
3.1.1 Imagen Landsat
1.- Imagen Landsat ETM+ nivel L1G
El primero de estos materiales es la imagen Landsat ETM+,
anteriormente ya fueron nombradas las características principales del
satélite y del sensor (ver capitulo 2,10), de acuerdo con todo eso, el
primer paso vendría a ser el análisis del archivo texto que viene con la
imagen. Algunos de los datos que vienen en el Metadato de la imagen
son por ejemplo:
- La fecha de adquisición: año, mes, día (2003-01-19).
- Tipo de producto: se refiere al nivel de procesamiento que
tiene la imagen.
- El Satélite y el Sensor: en este caso Landsat ETM+.
- El WRS Path and Row: el que viene a ser la columna y fila
(233, 083) en que es tomada la imagen.
- Las coordenadas del centro y de los bordes de la imagen, en
Latitud y Longitud, además en coordenadas de mapa.
- Mínimos y Máximos de radiancia por cada banda de la imagen
y de valores de los píxeles.
- Calibración radiométrica
- Parámetros de proyección en el que la imagen fue corregida,
el tamaño del píxel, el método de remuestreo (importante a la hora
del efecto que produce en la imagen respecto de la posición de los
píxeles), que en este caso estaba con el método del vecino mas
cercano.
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Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
Esas son las características generales del archivo de texto en las
imágenes satelitales, también existen archivos de texto para las
bandas termales (HTM), para la banda pancromática (HPN) y para las
otras bandas del espectro visible y del infrarrojo (HRF).
El nivel de corrección que viene con la imagen L1G, corresponde
esta según la ficha técnica de Landsat al nivel 5 en el que consiste en
una imagen con correcciones sistemáticas, pero que se referencia
utilizando las efemérides del satélite y la geometría del sensor a
través de una computadora abordo que graba los datos de captura.
Altitud, efemérides y parámetros de actitud del satélite, descritos en
el archivo Payload Correction Data (PCD) y en el archivo Calibration
Parameter File (CPF) son los componentes fundamentales para la
generación de imágenes de Nivel 5 que garantizan la fidelidad
geométrica general de la imagen.
La imagen que se ocupara dentro de este proyecto
específicamente esta en la zona central de Chile, la escena tiene como
coordenadas centrales Geográficas -70.4409243 W y -33.10405166 S,
coordenadas UTM 338155.625 y 6327646.500 o bien posición de
coordenadas en Píxel 3668 y 3464, Proyección UTM, Elipsoide WGS84
y Datum WGS84, huso 19.
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Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
Banda 1 (Azul) Banda 2 (Verde) Banda 3 (Rojo) Banda 4 (IR Cercano) Banda 5 (IR Medio) Banda 6 (IR Térmico L) Banda 6 (IR Térmico H) Banda 7 (IR Medio) Banda 8 (Pancromática)
Figura 3,1: Bandas de la Imagen Landsat-7 ETM+
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Figura 3,2: Imagen Composición Falso Color Convencional
(combinación bandas 4, 3, 2)
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2.- Imagen Landsat ETM+ nivel 0R
Otra imagen con que se cuenta como material es una Imagen
Landsat sensor ETM+ con características similares a la anterior
imagen pero sin ninguna corrección geométrica solo corrección
radiométrica, o sea, nivel 0R, respecto de la zona de la escena, que
corresponde al mismo Path y Row, pero que no tiene ningún archivo
de texto que contenga los datos de la imagen, los que fueron
nombrados anteriormente, mas bien solo se cuenta con la fecha de
adquisición que viene con la imagen que por nomenclatura propia de
Landsat es posible deducir como se explica a continuación:
Nomenclatura L7fppprrr_rrrYYYYMMDD_AAA.formato
- L7: Significa el satélite Landsat 7
- f: Formato ETM+ el que puede ser 1 o 2 pero que por defecto
aparece en esta imagen como 1
- ppp: Corresponde al Path (Columna)
- rrr_rrr: Corresponde al principio y final del Row (fila)
- YYYYMMDD: Fecha de adquisición de la imagen
- AAA: Corresponde a la banda
La sigla que trae la imagen es L71233083_08320010910_b20
que de acuerdo a lo anterior corresponde al Satélite Landsat ETM+,
ubicación dentro del sistema de referencia WRS corresponde a la
trayectoria (Path) 233 y a la Fila (Row) 083, y tiene como fecha 10 de
Octubre 2001, se cuenta con tres bandas la banda 2 (verde), la banda
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3 (roja) y la banda 4 (infrarrojo cercano) las que se muestran en la
siguiente figura.
Banda 2 (verde) Banda 3 (rojo)
Banda 4 (IRC)
Figura 3,3: Imagen Landsat-7 ETM+ cruda
Esta imagen no cuenta con ningún tipo de georreferenciación,
mas bien la posición de cada píxel esta referido al sistema propio de
la matriz de la imagen representado en Columnas y Filas o como se
explico en el capitulo 2.9 esta determinado por un eje de coordenadas
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X (Nº de columna de la matriz), Y (Nº de fila de la matriz) y Z (Nivel
Digital).
Comparando ambas Imágenes se tiene que:
Comparación Imagen L1G Imagen Cruda
Fecha 19-01-2003 10-09-2001
Nivel de Corrección Nivel L1G Nivel 0R
Remuestreo Vecino mas Cercano Ninguno
Georreferenciación Imagen orientada Ninguna
N° Píxeles (c, f) en la
multiespectral 7336 , 6928 6920 , 5960
Datos orbitales Archivo HRF Ninguno
Banda Pancromática Si No
Tabla 3,1: Comparación general entre la Imagen Landsat ETM+
nivel L1G y la Imagen Landsat ETM+ nivel 0R (cruda)
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3.1.2 Cartografía Escala 1: 50000
La cartografía que fue facilitada por el IGM corresponde a la
zona de La Región Metropolitana, específicamente a La Ciudad de
Santiago de Chile, en formato Shape, con coordenadas geográficas
referidas al datum WGS84, la confección de estas cartas fueron a
través de vuelos fotogramétricos y posteriormente procesadas a
través de el método de Restitución.
De acuerdo a los límites de las cartas se delimito la zona de
estudio que abarcará netamente la ciudad de Santiago de Chile y sus
alrededores.
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Figura 3,4: Límite de la zona de estudio en ambas imágenes
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3.1.3 Modelo Digital de Elevación (SRTM)
El otro Material importante que fue ocupado dentro de esta
investigación fue un Modelo Digital de Elevación (MDE).
El día 11 de Febrero del año 2000 fue lanzado al espacio la
misión SRTM (Shuttle Radar Topography Misión o Lanzamiento de la
Misión Topográfica del Radar), un proyecto realizado entre la Agencia
Geoespacial de Inteligencia NGA y la NASA, con el objetivo de generar
una base de datos topográficos de elevación más completa de la
tierra, la misión duro 11 días, orbito la tierra alrededor de 16 veces al
día, termino con 176 orbitas a la tierra y almaceno mas de 47,6
millones de millas cuadradas de superficie terrestre.
La técnica ocupada fue la Interferometría radar, que es el
estudio de los patrones de interferencia causados por las señales del
radar recibidas en dos diversas antenas, esta técnica permite generar
las imágenes tridimensionales de la superficie de la tierra.
La clave del SRTM es que a través de la Interferometría se
comparan dos imágenes del radar tomadas en localizaciones
levemente distintas para obtener información del relieve, y según las
diferencias de ambas imágenes permitirán el cálculo de elevación y
visualización de los cambios de la superficie. Semejante a misiones
anteriores el SRTM utilizara Interferometría SINGLE-PASS, que
significa que las imágenes serán adquiridas al mismo tiempo, pero en
posición distinta, la que se describirá a continuación.
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Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
1.- Descripción del Sistema del Radar
Figura 3,5: Esquema General del SRTM
El sistema esta compuesto de tres secciones, la antena
principal, el mástil y la antena de radar externa.
a) La Antena Principal: fue instalada en la zona de carga y
contuvo dos tipos de paneles, la banda C y la banda X del radar, y las
señales de radar transmitidas y recibidas.
Figura 3,6: Antena Radar Principal
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Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
La antena principal es la que transmite el pulso del radar y
consistió realmente en 2 antenas y la parte de aeroelectrónica que
computaba la posición de las antenas, cada antena fue compuesta de
los paneles especiales que podrían transmitir y recibir señales del
radar.
La antena de la banda C podía transmitir y recibir la longitud de
onda del radar que tiene 5,6 centímetros de largo.
La otra antena de banda X, podía transmitir y recibir la longitud
de onda del radar que tienen 3 centímetros de longitud, produjo
mapas topográficos de más alta resolución que la banda C.
b) Antena Externa: esta antena contuvo dos tipos de paneles,
de banda C y de banda X del radar, esta antena solo recibió la señal
del radar, pero no transmitió la señal.
Figura 3,7: Antena Radar Externa
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La antena externa fue conectada con el extremo del mástil de
longitud 60 metros. Contuvo dos antenas banda C y la banda X, dos
antenas GPS, Diodos electro luminosos LED; ambas antenas externas
recibieron solamente las señales del radar, ya que solo la antena
principal transmitió señales, cada antena recibió la señal de su
correspondiente banda.
Las antenas GPS fueron utilizadas para obtener la posición del
trasbordador, LED se ocupo para la determinación de la actitud y de la
orbita, para poder medir la posición de la antena externa concerniente
a la antena principal.
Ambas antenas fueron separadas por una distancia fija, la
antena principal era la que transmitía el haz de luz sobre una
superficie de la tierra, cuando esas ondas de luz golpeaban la
superficie terrestre, los rayos son dispersados en varias direcciones,
las que luego fueron recogidas par la misma antena principal y por la
antena externa, tal como lo muestra la siguiente figura.
Figura 3,8: Método Single Pass
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En la figura anterior, el color verde representa a la onda
transmitida y el color rojo a la onda recibida (la figura no esta a
escala), la reflexión en ambas antenas era levemente diferente, y la
línea base conocida y monitoreada constantemente, gracias a eso
pudo ser calculada la elevación de la superficie terrestre.
El SRTM fue lanzado en una orbita con una inclinación de 57
grados, lo que permitió que los radares cubrieran la mayoría de la
superficie terrestre, casi un 80% de la superficie terrestre, entre los
60 grados Norte y los 56 grados Sur.
2.- Descripción de los Modelos Obtenidos por SRTM
Los datos de elevación del modelo DTED (formato original
desarrollado por la agencia NIMA), se describen como una matriz
uniforme de los valores de elevación del terreno, los que proporcionan
los datos cuantitativos básicos de elevación, pendientes y/o
información de la cubierta terrestre.
Tal como en las imágenes los DTED también están clasificados
en distintos niveles a distintas resoluciones.
El nivel 0 de los DTED es de 30 arco segundos (1 kilómetro de
manera nominal), el DTED0 fue derivado del nivel 1 de NIMA DTED,
permiten una representación gruesa de la superficie y son usados en
trabajos que no necesiten precisión.
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Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
El nivel 1 fuente de datos básicos de elevación con resolución
para actividades militares y científicas. El DTED1 es una matriz
uniforme con valores de elevación de 3 arco-segundo
(aproximadamente 100 metros), y el contenido de la información se
encuentra representado en un mapa de 250.000 celdas.
El nivel 2 de DTED son la fuente de datos de alta resolución de
elevación para todas las actividades militares. El DTED2 es una matriz
uniforme con valores de elevación de 1 arco-segundo
(aproximadamente 30 × 30 metros, con exactitud vertical absoluta de
16 metros, y exactitud vertical relativa de altura de 10 metros y 20
metros de exactitud horizontal absoluta), del que no existe un listado
del catalogo DTED2 y su distribución corresponde al departamento de
defensa de los EEUU.
En general los DTED son una matriz uniforme de los valores de
la elevación, el datum horizontal es el sistema geodésico 1984
(WGS84) y el datum vertical a nivel medio del mar esta referido al
modelo geopotencial de la tierra WGS84 (EGM96).
Los DTED2 se separan en 1 arco-segundo desde los 0° a los 50°
grados de latitud, se separan desde los 50° y los 60° grados de
Latitud en 2 arco-segundos. Para el caso del DTED1 se separan en 3
arco-segundos entre los 0° y los 50° grados de Latitud, y entre los
50° y los 60° grados de Latitud se separan en 6 arco-segundos.
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Figura 3,9: DTED0; DTED1; DTED2 respectivamente de la
misma zona
Luego de la obtención de los datos el NGA realizo chequeos a los
datos crudos, por ejemplo y se realizaron correcciones como: a los
vacíos pequeños serán llenados por la interpolación de píxeles
circundantes (16 píxeles mas cercanos) y los vacíos grandes se
dejaran; la elevación del océano se fijara en 0 metros; Los lagos de
600 metros o más se aplanaron y se dejaron a una altura constante;
los ríos que tengan 183 metros de ancho se delinean; las elevaciones
están respecto a la superficie de reflexión; los bordes de los píxeles o
celdas fueron emparejados para darles mayor continuidad.
Algunos de los datos presentaron vacíos dispersos, estos fueron
producidos por efectos de sombra o porque la señal que fue recibida
por el satélite es pobre en algún terreno, así como también hubo
errores en el vaciado de la fase; Sin embargo según NASA los datos
tienen un 95% de confiabilidad en el área tomada.
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Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
En este trabajo el Modelo Digital de Elevación con que se
trabajo, es el que se encuentra dentro de la clasificación como nivel 2
o bien DTED2 de 1 arco-segundo, aportado por el IGM. Estos DTED2
vienen en coordenadas geográficas. El primero de estos DTED2 se
encuentra entre –33°, –72° (lat/long) y los -34°,-71° (lat/long),
mientras que el otro DTED2 se encuentra entre –33°,-71° (lat/long) y
los –34°,-70° (lat/long), los que corresponderían a los denominados
azulejos nativos del USGS (Servicio Geológico de los Estados Unidos),
que vienen a ser como la grilla de WRS.
Figura 3,10: DTED2 entre 33° y 34° (Latitud) y entre los 70° y 72°
(Longitud)
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3.2 Procedimientos de Corrección de los DTED
Como fue señalado anteriormente debido a efectos de sombra, a
una pobre recepción de la señal, o también por el vaciado de la fase,
en los tres niveles de DTED se produjeron vacíos de información;
existen varios programas y métodos en que los vacíos son rellenados,
pero solo para efectos de los DTED 1 de 3 arco-segundo y que se
encuentran en la red liberados, todos esos procesos apuntan a la
corrección a través de la interpolación, pero para el caso de los
DTED2 de extensión .dt2 no existen programas liberados en la red
debido a que estos modelos de elevación son exclusivamente de uso
militar, pero como existen DTED1 liberados en Internet se ocuparon,
en este caso, para la generación de curvas en los sectores en donde
habían vacíos y luego de las curvas obtenidas se generaron MDE en
PCI Geomatics de manera que los vacíos fueran llenados.
Figura 3,11: Ejemplo de vacío DTED2
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Claramente es notorio en esta imagen que la zona de color azul
es uno de los tantos vacíos que se encuentran en el modelo, en este
caso en el sector cordillerano, además al identificar la altura en ese
sector su valor es negativo en comparación con los otros en que su
altura esta por sobre los 1500m sobre el nivel del mar.
Figura 3,12: Landsat 7 ETM+ combinación RGB de la misma
zona en que se encuentra el vacío de la figura 3,11
La figura 3,12 muestra en la imagen Landsat el mismo sector de
vacíos que en la figura 3,11 que muestra el DTED2, en donde se
puede visualizar y analizar que uno de los motivos del porqué hubo un
vacío en ese lugar, puede deberse a la pobre recepción de la señal,
debido por ejemplo a que la morfología del terreno hace que la señal
que rebote en una dirección que el satélite no pudo recepcionar, por
lo tanto no existió datos en el sector, lo que produjo el vacío.
Si bien el sensor de Landsat es el ETM+; al ser un sensor
pasivo, necesita de una fuente de energía externa que es el Sol, el
que hace que las cubiertas de la superficie se reflejen para luego
Universidad de Santiago de Chile 90
Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
obtener la imagen; y al analizar por ejemplo la morfología del
recuadro en la imagen Landsat, en el que se visualizan claramente las
sombras de dos cuencas en donde la cubierta de roca es irregular y se
compara con la imagen radar; que es un sensor activo el que emite su
propio haz de energía; en el caso del DTED2 del mismo sector del
recuadro, en donde, existen lugares de color más claros donde la
señal no tuvo problema en ser recibida por las antenas y en donde la
sombra en el sector en que se encuentra el vacío, indica que es el
mismo lugar donde se encuentran las cuencas nombradas
anteriormente, demuestra en este y en la mayoría de los casos en
sectores montañosos que la señal no es bien recibida y uno de los
motivos es debido a que la morfología de la cubierta montañosa es
irregular y esto hace que algunas señales se pierdan.
Para este trabajo, donde se encontraban vacíos se generaron
curvas de nivel en formato shape en el DTED1, de manera de generar
un modelo de elevación para poder corregir estos errores.
Figura 3,13: Curvas de nivel sobre DTED2
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Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
El modelo de elevación fue generado en el Programa PCI
Geomatics a través de los vectores, el método que se ocupo fue el de
Diferencia Finita; este método consta de tres pasos; el primer paso
los valores de elevación de los vectores se ubican en la posición que
le corresponde en el DEM raster; el segundo paso se interpola través
del algoritmo de transformación de distancia, el que estima los
valores de los píxeles equidistantes desde la posición de los píxeles
ubicados en el primer paso; el tercer paso corresponde a la iteración
del algoritmo de diferencia finita el que suaviza el MDE raster, durante
esta iteración los píxeles que fueron ubicados en el primer paso no se
modifica su ubicación, mientras que los valores de los píxeles
interpolados se basan en el valor de los píxeles adyacentes.
Luego de haber generado el modelo a partir de las curvas de
nivel con las mismas características que el DTED2, tanto en el tamaño
de píxel, como también el área que abarca el vacío; esto en todos los
vacíos que se encuentran en cada DTED; se exportaron de manera de
obtener así el Modelo Digital de Elevación sin vacíos, sino que, con
toda la morfología del terreno completa.
Figura 3,14: DTED2 corregido sin vacíos
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Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
Luego de haber corregido los DTED, y como se nombro
anteriormente, estos modelos vienen en coordenadas geográficas,
referidas al datum horizontal WGS84 y al datum vertical EGM96, lo
que no significa que estén referidas a un elipsoide en particular, se
referenciaron en el software PCI Geomatics, el modulo Focus tiene la
opción de proyectar el MDE, a esto se le suma que además de
asignarle el elipsoide en que se quiera trabajar, se le puede asignar
también, el formato de salida, y el tamaño del píxel, de manera que
se proyectó un MDE en Coordenadas UTM, en la zona 19, con el
elipsoide del datum WGS84, así como se muestra en la figura 3,15.
Figura 3,15: Proyección DTED a coordenadas UTM
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Si bien se nombro en el método de remuestreo capitulo 2.11.2,
el método que se ocupo para el Modelo Digital de Elevación fue el del
Vecino más cercano, esto por que es el que mantiene los valores
originales, sin promediarlos, el modelo final para la zona de estudio
quedo así:
Figura 3,16: Modelo Digital de Elevación de la zona de estudio
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Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
3.3 Proceso de Ortorectificación
A continuación se describirán los procesos de Ortorectificación
de ambas imágenes Landsat ETM+, y las consideraciones a tener en
cuenta antes de ortocorregir la imagen satelital en el software PCI
Geomatics.
Es importante destacar la importancia del conocimiento de los
parámetros que georeferenciaran la imagen, tales como: Elipsoide,
Datum, huso, etc., los que fueron explicados anteriormente, ya que,
también estos vienen relacionados directamente en la colección de los
GCP debido a que estos también cuentan con parámetros de
georreferenciación, los que deben ser los mismos a la hora de
ortorectificar.
El programa PCI GEOMATICS contiene un modulo llamado
Orthoengine, el que cuenta con modelos matemáticos tanto para
fotografías aéreas como también para imágenes satelitales. Existen 2
tipos de modelos matemáticos en los que se puede ortorectificar una
Imagen Satelital:
3.3.1 Modelo Orbital o Riguroso
El Modelo Orbital o Riguroso, el que a través de algoritmos será
el que compense las distorsiones geométricas del sensor, orbita y
actitud del satélite, curvatura de la tierra y el relieve, este modelo
esta basado en las ecuaciones de colinealidad, además corrige las
distorsiones generadas en la imagen las que fueron causadas por: La
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Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
Plataforma (velocidad, posición y orientación); el Sensor (orientación,
campo de visión); la Tierra (geoide, elipsoide y relieve); la Proyección
Cartográfica.
Como se nota en la figura 3,17 este modelo tiene la capacidad
de trabajar con distintos tipos de satélites, luego es necesario
ingresar los parámetros de georeferenciación en que se obtendrá la
imagen final, estos son el tipo de coordenadas, el huso, el elipsoide,
tamaño de píxel de salida y los parámetros de los puntos de control,
que necesariamente tienen que ser los mismos.
Figura 3,17: Elección del modelo matemático en Orthoengine
Al ingresar todos los datos nombrados anteriormente, es
necesario que la imagen a ortocorregir se le asigne los datos
orbitales, lo que por defecto genera una nueva imagen con un archivo
nuevo con datos orbitales, estos representan en similitud a la
fotogrametría a la Orientación Interior y Orientación Exterior,
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Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
1.- Orientación Interior
Es la que define la geometría interna del sensor en el instante
de la toma de la imagen, su principal función es transformar el
sistema de coordenadas de la imagen Columna, filas en el sistema de
coordenadas espaciales de la imagen, los softwares contienen esta
corrección para cada modelo de sensor.
2.- Orientación Exterior
Como la geometría de Landsat-7 es conocida y estable, y los
parámetros del sensor como la distancia focal también, para la
orientación exterior es necesario conocer los datos de las efemérides
de la orbita los que se obtienen de los archivos de texto que vienen
con la imagen, ellos contienen la posición del satélite en coordenadas
geocéntricas por cada línea de barrido, el vector velocidad, así como
también el tiempo exacto de la línea de barrido central de la escena.
(Apoyo Manual Erdas).
Al comparar ambas imágenes, para el caso de la imagen
Landsat ETM+ L1G, al cargar el archivo HRF el que cuenta con la
información de las efemérides de todas las bandas multiespectrales,
en el que como se explico anteriormente, contiene toda la información
del sensor y además cuenta con un archivo de puntos de control
cargados en la imagen, el software PCI Geomatics automáticamente
genera a través de estos archivos una imagen por defecto en formato
nativo del programa (extensión .pix), además de un archivo de texto
incluidos en la misma imagen que contiene los datos orbitales.
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Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
El procedimiento que realiza el programa es que extrae la
información de las coordenadas del centro de la escena y de las
cuatro puntos de las esquinas, los que se encuentran cargados en la
imagen, son usados como puntos de control para una corrección
aproximada de la orientación exterior, lo que no implica que la
imagen tenga una orientación precisa con esas coordenadas. La
información orbital contenida en la imagen final es fundamental para
cuando se realice la colección de los puntos de control.
Para el otro caso de la imagen cruda, fue necesario incorporar
estos datos manualmente, esto porque no contenía ningún archivo de
texto en que incorporara los datos de efemérides o puntos de control;
si se comparan las características orbitales y de construcción del
Satélite Landsat ETM+ y la del Satélite Landsat TM, estos datos son
similares como la altura, el IFOV, en las bandas multiespectrales
tienen el mismo tamaño de píxel, la gran diferencia es la
incorporación de la banda pancromática para el caso del Satélite
Landsat ETM+, por lo que PCI Geomatics cuenta con un modulo que
lee el Archivo Genérico de la imagen, y en este caso se le asigno
las características orbitales a la imagen cruda del Satélite Landsat TM,
el único dato anexado que no lo entrega el programa por defecto fue
solamente la coordenada aproximada del centro de la escena de
Latitud -33,1052 y Longitud -70.4320, y es aquí que el programa le
asigna los datos orbitales aproximados a la imagen cruda para la
Orientación Exterior.
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Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
Al completarse en ambas imágenes la Orientación Exterior, se
procede a la colección de los Puntos de Control, para ambas imágenes
los vectores serán la georeferencia con que se cuente para la
colección de estos Puntos, se tomaran los más representativos y los
mismos puntos en ambas imágenes, esto quiere decir, que en ambas
imágenes se tomaran la misma cantidad de puntos de control y su
ubicación será aproximadamente la misma, con lo que se espera que
al momento de ortorectificar, ambas Ortoimágenes queden similares
para lograr una comparación de resultado en ambas.
3.3.2 Modelo de Funciones Racionales
Este modelo no ocupa los parámetros del satélite que vienen en
las efemérides, ni realiza los procedimientos antes nombrados como
la Orientación Interior y Exterior, este modelo realiza una
correspondencia entre los píxeles de la imagen y los GCPs, es
utilizado cuando no se conocen los parámetros antes mencionados o
cuando no se cuenta con una escena completa de una imagen, mas
bien una parte de ella, es necesario una gran cantidad de puntos de
control.
Las Funciones Racionales usan una proporción de 2 funciones
polinomiales para computar la fila de la imagen y una proporción
similar para computar la columna de la imagen, estos cuatro
polinomios son funciones de tres coordenadas Latitud, Longitud y
altura.
Universidad de Santiago de Chile 99
Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
Siempre es recomendable que en la colección de los puntos de
control, primero que todo se tenga en consideración la buena
identificación y distribución de ellos, para este caso, la referencia eran
las coberturas digitales facilitadas por el IGM; en el caso que se
hubiera tenido la posibilidad de ir a terreno para la medición de esos
puntos, es importante tener en cuenta esas consideraciones previas
de distribución y ubicación, para generar una buena planificación del
itinerario de campo. De acuerdo a lo anterior y teniendo como
referencia la información digital en formato Shape, la distribución en
ambas imágenes quedo de la siguiente manera.
Figura 3.19: Distribución GCPs Imagen L1G Landsat-7 ETM+
Universidad de Santiago de Chile 100
Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
Figura 3.20: Distribución GCPs Imagen cruda Landsat-7 ETM+
Dentro de la colección de los Puntos de Control, también se
debe considerar que el Error Medio Cuadrático sea inferior a 1 píxel,
mejor es cuando este valor se acerca a 1/2 píxel, los que
representados en metros son 30 metros y 15 metros
respectivamente.
Habiendo hecho todo el procedimiento antes nombrado, por
ambos métodos, se realizara el análisis y comparación de los
resultados de ambas imágenes Ortorectificadas, donde finalmente se
obtiene una imagen geométricamente correcta o llamado de otra
manera una Ortoimagen.
Universidad de Santiago de Chile 101
Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
Capitulo 4
4. Análisis de Procedimientos y Resultados
Si bien la orbita elíptica de Landsat que aprovecha el
movimiento de rotación de la tierra, ubicándose en el mismo punto
con similares características de adquisición, a pesar de que ese
movimiento es suave, sufre distorsiones como se nombraron en el
capitulo 2.9.1, originadas por la Plataforma Satelital, por la Rotación
de la Tierra, por la Geometría del Sensor, Radiométricas y
Atmosféricas, lo que en definitiva hacen que la imagen necesite
correcciones para su utilización.
A continuación se esquematizaran los errores que sufren las
imágenes en el proceso de toma de una escena.
1.- La orbita de un satélite esta en directa relación con las leyes
físicas de gravedad de la Tierra, estas leyes hacen posible determinar
la posición de un satélite en un instante dado, pero al igual que un
avión sufren distorsiones en su orientación, las que son expresadas en
los ángulos de rotación ω (omega), Φ (Fi), κ (Kappa), las que se
pueden denotar en la geometría de la imagen, se le puede asociar
como Distorsiones Provocadas por la Plataforma Satelital.
Universidad de Santiago de Chile 102
Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
Eje z
Eje y
Eje x Dirección del vector velocidad
Figura 4,1: Movimientos internos del Sensor
- Kappa es el ángulo de Rotación alrededor del eje Z (eje óptico).
- Fi es el ángulo de Rotación alrededor del eje Y.
- Omega es el ángulo de Rotación alrededor del eje X (eje de la
línea de vuelo).
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Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
2.- Las condiciones de la orbita en la toma de una imagen,
como ya se menciono, vienen dadas por las efemérides, las que
describen la posición, velocidad del satélite, altitud, descripción
geométrica del sensor, etc. La imagen en el instante en que se toma
una escena completa, está con referencia a un punto en la Tierra
(Geocéntrico), en que durante todo ese proceso la tierra ya se habrá
desplazado; toman importancia datos como el ángulo de inclinación
de la orbita, desplazamiento de la Tierra el que es variable según la
Latitud en que se encuentre el satélite en el instante de la toma de la
imagen, la velocidad angular del satélite y el tamaño de la cubierta de
la escena, todos esos factores se pueden asociar a las Distorsiones
provocadas por la Rotación de la Tierra.
Figura 4,2: Referente Geocéntrico y Referente Orbital
Y
Z
X
Y
z
y
xV
Universidad de Santiago de Chile 104
Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
3.- Al ser Landsat un Explorador de Barrido, cuenta entre sus
componentes físicos, con un espejo móvil, que oscila
perpendicularmente a la dirección de la trayectoria del satélite, este
movimiento puede alterarse provocando errores en la imagen, como
por ejemplo un efecto de barrido no lineal, lo que puede producir
cambios en la recepción de la información respecto de la resolución de
los píxeles, estos errores se pueden asociar a Distorsiones Provocadas
por el Sensor, la figura 4,3 muestra una trayectoria de barrido lineal
(a) y la otra de barrido no lineal (b) en que la trayectoria esta
distorsionada provocando una matriz irregular.
(a) (b)
Figura 4,3: Ejemplo de (a) barrido lineal; (b) barrido no lineal
Universidad de Santiago de Chile 105
Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
El concepto de captura de Imágenes por barrido de líneas, se
entiende que por cada línea de barrido existe un centro de proyección
único y un conjunto único de ángulos de rotación, y como el satélite
describe un moviendo suave en su orbita, prácticamente lineal, se
ASUME que por cada línea de barrido se describe una trayectoria
lineal constante a lo largo una línea recta, para el caso de Landsat
ETM+, cada oscilación del espejo supone 16 líneas de barrido.
4.- Respecto de las distorsiones Radiométricas, todos los
problemas tanto en la falla en la calibración de los detectores que
reciben varias líneas simultáneamente, las que son traducidas y
codificadas en niveles digitales para las distintas bandas, esta
codificación puede producir un efecto de bandeamiento, sobre todo en
zonas de poca radiancia; como también las distorsiones Atmosféricas
que producen una modificación de la radiancia original proveniente de
la superficie terrestre provocando por ejemplo menor contraste entre
coberturas de similar comportamiento, son corregidas por la Estación
de Recepción en la Tierra.
Los tres primeros puntos en el esquema son los que
corresponden a la corrección geométrica que se le debe realizar a la
imagen satelital, estas correcciones son generalmente poco precisas
debido a que solamente es una orientación a través de los datos
proporcionados por las efemérides, y para que la Imagen Satelital
este geométricamente correcta, es necesario el uso de Puntos de
Control (GCPs), un Modelo Digital de Elevación (MDE) y un Modelo
Matemático que remueva todas estas distorsiones y en definitiva
obtener una imagen comparable a un mapa.
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Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
4.1 Elección de los Puntos de Control (GCPs)
Antes del análisis de los resultados obtenidos, en cada Modelo
Matemático, es importante destacar que la elección de los Puntos de
Control (GCPs), fue en base a algunas coberturas vectoriales a escala
1:50.000 que fueron facilitadas por el IGM, algunas de estas
coberturas fueron:
- CARRETERAS en las que su elección se baso en la intersección
de calles que fueran de fácil identificación en la imagen.
- HUELLAS Y SENDEROS los que se encontraban en la periferia
de Santiago.
- CUENCAS su elección se baso en la intersección de caminos
naturales de aguas en los sectores de la Cordillera de los Andes y la
Cordillera de la Costa.
- RIOS
Como en el Modelo Matemático de Funciones Racionales indica
que dependen de la cantidad y distribución de los Puntos de Control,
esta cantidad fue de 31 Puntos de Control distribuidos
homogéneamente en toda la zona a Ortorectificar; y se mantuvo la
misma cantidad y distribución en el Modelo Orbital para una
comparación de los valores residuales obtenidos en cada imagen
ortorectificada.
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Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
4.2 Análisis de valores Residuales por Funciones Racionales
Numero de Puntos de Control= 31 puntos
Tamaño de la matriz: Landsat L1G: 7336 P x 6928 L
Landsat 0R : 6920 P x 5960 L
LANDSAT L1G LANDSAT 0R
Punto Residual Residual
X Residual
Y Punto ResidualResidual
X Residual
Y G0012 1.47 -1.46 -0.05 G0033 2.32 -2.15 0.87 G0026 1.08 1.08 -0.12 G0002 2.06 1.58 1.32 G0034 0.87 -0.50 -0.71 G0021 1.71 -1.48 0.85 G0021 0.87 -0.66 0.57 G0012 1.48 -1.45 -0.29 G0022 0.86 -0.73 -0.46 G0030 1.45 -1.45 0.04 G0028 0.77 0.77 0.11 G0013 1.32 0.62 -1.16 G0015 0.73 0.37 0.62 G0025 1.18 0.93 0.72 G0013 0.68 0.68 0.01 G0026 1.10 1.08 -0.23 G0010 0.66 0.36 -0.55 G0027 1.04 0.50 0.91 G0035 0.64 -0.29 -0.56 G0035 1.03 -0.36 -0.96 G0004 0.60 -0.47 -0.37 G0017 0.95 0.81 0.50 G0019 0.60 0.16 -0.58 G0005 0.85 0.84 -0.08 G0017 0.57 0.43 0.37 G0004 0.75 0.38 -0.65 G0006 0.54 -0.09 0.53 G0032 0.73 -0.45 0.58 G0005 0.50 0.13 0.48 G0001 0.71 0.56 -0.43 G0018 0.50 -0.34 -0.36 G0028 0.65 0.42 -0.49 G0033 0.49 -0.07 0.48 G0010 0.61 0.03 -0.61 G0027 0.48 -0.06 0.48 G0006 0.56 0.26 -0.50 G0011 0.48 0.41 -0.24 G0008 0.47 -0.41 0.22 G0008 0.47 -0.35 0.30 G0011 0.44 0.41 -0.17 G0003 0.46 0.45 -0.04 G0022 0.44 -0.26 0.36 G0025 0.45 0.42 0.15 G0009 0.42 -0.29 -0.30 G0016 0.45 0.39 -0.22 G0019 0.39 0.02 -0.39 G0009 0.43 0.07 0.42 G0024 0.38 -0.31 -0.21 G0001 0.42 -0.02 -0.42 G0016 0.31 0.21 0.23 G0002 0.42 -0.09 0.41 G0020 0.29 -0.11 -0.27 G0030 0.40 -0.39 -0.02 G0015 0.20 0.19 0.06 G0007 0.36 -0.20 -0.31 G0034 0.14 -0.12 0.06 G0020 0.18 -0.14 -0.12 G0007 0.10 0.04 0.09 G0032 0.14 0.07 0.12 G0018 0.06 -0.06 -0.02 G0024 0.11 0.09 0.07 G0003 0.03 -0.00 -0.03
Tabla 4,1 Residuales obtenidos de Funciones Racionales
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Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
RMS RMS (m) RMS total Imagen RMS
X RMS
Y RMS X
(m) RMS Y
(m) RMS
(píxeles) RMS
(metros) Landsat
L1G 0,5 0,39 15 11,7 0,63 19,02
Landsat 0R 0,8 0,57 24 17,1 0,98 29,5
Tabla 4,2: Residuales totales de Funciones Racionales
Visualmente la distribución de los GCPs se muestran en la figura
3,20, en ambas imágenes el orden correlativo de los GCPs fue el
mismo, para que se entienda, se tiene por ejemplo que el GCP
correspondiente al G0001 se identifico en el cruce de calles Vicuña
Mackenna con Bilbao, la coordenada de referencia (X,Y) se obtuvo
desde los vectores y la altura Z desde el MDE, en ambas imágenes se
ocupo las mismas coordenadas de referencia, pero la ubicación en
ambas imágenes es distinta debido a que sus matrices lo son
también, esto se ve reflejado en el comportamiento de cada GCP y en
el resultado de los residuales finales, donde la imagen Landsat L1G
tiene un valor de 19.02 metros alrededor de medio píxel y la imagen
Landsat 0R alcanza los 29.5 que representa casi un píxel.
Ahora bien, la coincidencia visual de los vectores dentro de la
zona urbana, en donde la morfología de Santiago tiene un
comportamiento más bien plano, no irregular, hace coincidir lo
vectores de carreteras como se ve en la figura 4,4, pero es en la zona
de la Cordillera de los Andes en donde ocurre el problema, como se
muestra en la figura 4,5 el vector de las Cuencas, no coincide en
ninguna de las dos imágenes
Universidad de Santiago de Chile 109
Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
(a) (b)
Figura 4,4: Imágenes Landsat L1G (a) y Landsat 0R (b)
Ortorectificadas con Funciones Racionales
Aquí se muestra el vector Carretera de color azul sobre ambas
imágenes Landsat ortorectificadas, en ambos casos se denota la
coincidencia de este vector sobre la carretera que se presenta en un
tono celeste, respecto de que se destaque mas el color rojizo de la
imagen Landsat 0R (b) es porque ambas imágenes son de distintas
fechas, siendo la imagen (b) como se menciono en capítulos
anteriores del mes de Octubre, época de Primavera, donde la
vegetación es mas vigorosa que en Enero, por lo que, la recepción de
la Radiancia proveniente de la vegetación es mayor en esta época que
en Verano.
Universidad de Santiago de Chile 110
Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
(a)
(b)
Figura 4,5: Calce de Cuencas con Funciones Racionales en
Imagen Landsat L1G (a) y Landsat 0R (b)
Universidad de Santiago de Chile 111
Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
En el caso de la figura 4,5 que muestra el sector de la Cordillera
de los Andes, se presentan con los vectores de Cuencas de color
verde, en este caso muestra claramente que el Modelo Matemático de
Funciones Racionales no es recomendable de usar en sectores donde
la morfología sea irregular.
Universidad de Santiago de Chile 112
Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
4.3 Análisis de valores Residuales por Modelos Orbitales
Numero de Puntos de Control= 31 puntos
Tamaño de la matriz: Landsat L1G: 7336 P x 6928 L
Landsat 0R : 6920 P x 5960 L
Landsat L1G Landsat cruda
Punto Residual Residual
X Residual
Y Punto ResidualResidual
X Residual
Y G0025 0.88 -0.48 0.73 G0033 2.44 -2.28 0.89 G0034 0.84 -0.41 -0.73 G0002 2.36 2.09 1.10 G0012 0.83 -0.79 -0.28 G0021 1.54 -1.28 0.86 G0010 0.75 0.35 -0.67 G0013 1.32 0.51 -1.22 G0015 0.72 0.25 0.67 G0025 1.32 -0.17 1.31 G0035 0.72 -0.16 -0.70 G0027 1.15 0.82 0.81 G0011 0.70 0.60 -0.37 G0030 1.08 -1.07 -0.11 G0021 0.69 -0.49 0.49 G0035 1.02 -0.20 -0.99 G0022 0.67 -0.22 -0.64 G0012 0.85 -0.69 -0.49 G0019 0.66 0.02 -0.66 G0005 0.79 0.77 -0.13 G0028 0.66 0.65 0.11 G0004 0.78 0.40 -0.68 G0018 0.65 -0.51 -0.40 G0017 0.77 0.55 0.54 G0004 0.61 -0.46 -0.39 G0011 0.66 0.60 -0.27 G0013 0.59 0.59 -0.04 G0010 0.61 0.03 -0.61 G0026 0.58 0.43 0.39 G0032 0.59 -0.32 0.50 G0009 0.56 0.16 0.54 G0028 0.55 0.28 -0.47 G0006 0.55 -0.32 0.45 G0026 0.52 0.38 0.36 G0008 0.45 0.17 0.42 G0020 0.48 0.25 -0.41 G0033 0.42 -0.20 0.37 G0019 0.47 -0.06 -0.46 G0001 0.42 -0.38 -0.17 G0006 0.46 0.03 -0.46 G0005 0.41 0.04 0.41 G0016 0.33 -0.20 -0.27 G0002 0.41 0.35 0.21 G0022 0.33 0.33 0.05 G0017 0.40 0.20 0.34 G0003 0.25 -0.23 0.11 G0027 0.39 0.24 0.31 G0009 0.24 -0.16 -0.18 G0024 0.36 0.13 0.34 G0018 0.24 -0.24 -0.01 G0007 0.36 -0.32 -0.18 G0007 0.23 -0.17 0.14 G0020 0.35 0.20 -0.29 G0024 0.22 -0.18 -0.14 G0003 0.33 0.31 0.09 G0001 0.18 0.18 -0.03 G0016 0.26 -0.09 -0.24 G0008 0.18 -0.05 0.17 G0030 0.19 -0.04 -0.19 G0015 0.13 0.12 0.06 G0032 0.19 0.18 0.04 G0034 0.06 -0.05 0.04
Tabla 4,2: Residuales del Modelo Orbital
Universidad de Santiago de Chile 113
Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
RMS RMS (m) RMS total Imagen
RMS X RMS Y RMS X (m)
RMS Y (m)
RMS (píxeles)
RMS (metros)
Landsat L1G 0,37 0,44 11,1 13,2 0,58 17,4
Landsat 0R 0,73 0,59 21,9 17,7 0,94 28
Tabla 4,3: Residuales totales del Modelo Orbital
Al igual que en el caso anterior, son los mismos puntos de
control GCPs, en la misma posición, en ambas imágenes, salvo que la
Ortorectificación se realizo por Modelo Orbital, en este caso al
comparar el mismo GCP del ejemplo anterior, los residuales del punto
G0001 también entregaron distintos valores en ambas imágenes y los
residuales finales en la imagen Landsat L1G es de 0.58 casi medio
píxel y la imagen Landsat 0R su residual fue de 0.94 casi un píxel.
Al cargar los vectores en el mismo ejemplo de Funciones
Racionales se tiene que:
(a) (b)
Figura 4,6: Imágenes Landsat L1G (a) y Landsat 0R (b)
Ortorectificadas con Modelo Orbital
Universidad de Santiago de Chile 114
Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
Al igual que en Funciones Racionales, en el Modelo Orbital el
vector Carretera calza con una pequeña diferencia favorable a este
modelo.
(a)
(b)
Figura 4,7: Calce de Cuencas con Modelo Orbital en Imagen
Landsat L1G (a) y Landsat 0R (b)
Universidad de Santiago de Chile 115
Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
La gran diferencia de este Modelo, es que al incorporar los datos
orbitales, cuando el programa realiza la Orientación Interior y la
Orientación Exterior (Ajuste de Bundle), esta minimizando todas las
distorsiones que se produjeron en la imagen en el momento de la
toma de la escena, esto hace que la imagen quede virtualmente
ortogonal a la Tierra, luego minimiza y distribuye los errores
asociados con la Imagen, con los Puntos de Control y el MDE usando
Mínimos Cuadrados, se puede decir que un GCP con un residual alto
se puede interpretar que se encuentre fuera de lugar haciendo que el
ajuste no encaje bien y genere una ortoimagen defectuosa.
Si se busca la relación de los residuales obtenidos por ambos
métodos, se puede decir, que para la imagen Landsat L1G los valores
de los residuales finales son muy similares y cercanos a medio píxel,
en comparación con la Imagen Landsat 0R en que sus residuales
también son similares pero cercanos al píxel, esto puede ser a que
por ejemplo, a que las bandas multiespectrales de la Imagen Landsat
L1G estaban fusionadas y además la imagen estaba Orientada, lo que
hacia que la elección y distribución de los puntos de control fuera
mucho más fácil, en cambio, la Imagen Landsat 0R, cada banda
estaba por separado, si bien el orden correlativo y la elección de los
GCPs fue el mismo que la otra imagen, era mucho mas complejo
ubicar los mismos puntos de control debido a que la imagen estaba
cruda y sin orientación.
Universidad de Santiago de Chile 116
Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
El comportamiento de los Puntos de Control y de los valores de
sus residuales en ambos Modelos y en ambas imágenes fue distinto,
en consecuencia, sus residuales finales también lo son.
En el caso de la Imagen Landsat 0R, donde no se contaba con
los parámetros orbitales, sino más bien se le asignaron parámetros
generales del Satélite Landsat TM, que si bien la única gran diferencia
que tiene con el Satélite Landsat ETM+, es la incorporación de la
banda Pancromática, en el Modelo Orbital hizo que la Orientación
Interior y la Orientación Exterior fuera por defecto, provocando que el
valor residual final fuera cercano al píxel, pero no quiere decir, que la
ortoimagen final fuese poco precisa, lo que se comprueba finalmente
al cargar los vectores en la imagen y que estos se ajusten en la
imagen.
Figura 4,8: Ortoimagen de Santiago de Chile en 3D
Universidad de Santiago de Chile 117
Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
Capitulo 5
5. Aplicaciones
5.1 Espaciocarta
Una de las grandes aplicaciones que se les puede dar a las
Imágenes Satelitales es el Espaciocarta, el que se define como un
documento cartográfico, que tiene como característica principal la
utilización de una Imagen Satelital como base de la representación
cartográfica de las distintas coberturas presentes en la Tierra, las que
pueden ser extraídas de Cartas existentes, bases de datos o de la
interpretación de la misma Imagen Satelital.
La Espaciocarta es muy similar o mejor que una carta
convencional, esto gracias a que el fondo-imagen, es altamente
informativo, sencillo de manejar y con muchas aplicaciones e
interpretaciones, que además cuenta con información grafica y de
texto necesarias para su utilización:
Los elementos principales son:
- Sistema de Coordenadas Cartográficas y/o Geográficas.
- Títulos
- Escalas: cifrada y grafica
- Cuadro de diseño cartográfico y plano de localización
- Indicación del Norte Geográfico, Cartográfico y Magnético
- Referencias de edición y derechos de autor.
- Ubicación de las imágenes utilizadas
Universidad de Santiago de Chile 118
Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
- Características de la(s) imagen(es) utilizada: Satélite, Sensor,
Fecha, etc.
Agregados Cartográficos
- Toponímios localizados
- Curvas de nivel
- Limites Administrativos
- Red caminera, hidrográfica, etc.
5.1.1 Tipos de Espaciocartas
1.- La Espaciocarta de base o Topográfica: es en la cual el
fondo-imagen no es interpretado, se presenta de acuerdo a
fraccionamiento cartográfico estándar. Los elementos planimetritos
y/o altimétricos pueden ser agregados y asociados a una leyenda.
2.- La Espaciocarta Temática: La imagen es interpretada con
el fin de interpretar uno o varios temas analizados, caracterizados en
el documento por códigos temáticos, asociados a una leyenda, que
indican la naturaleza de ciertos objetos, pueden ser agregados
elementos de planimetría y altimetria.
Universidad de Santiago de Chile 119
Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
5.1.2 Utilización de un Espaciocarta
Las Espaciocartas se pueden utilizar en los siguientes Campos o
Áreas de producción cartográfica:
- Cartografía de Urgencia. Cuando se necesita generar
cartografía en un corto periodo de tiempo, el que es imposible
realizarlo únicamente con los métodos tradicionales, es en
donde las imágenes pueden ser una buena alternativa.
- Cartografía de zonas de difícil acceso. Existen sectores
inaccesibles, ya sean, por medio terrestre o aéreo, debido por
ejemplo, a las inclemencias del tiempo, morfología del lugar;
donde las imágenes satelitales no tienen ese problema gracias a
que los Satélites cubren sistemáticamente toda la Tierra, un
ejemplo de zonas inaccesibles en Chile, es la zona Austral,
donde la morfología y el clima irregular hace que los vuelos
Fotogramétricos sean escasos, por lo que generar y actualizar
cartografía regular es bastante difícil.
- Cartografiar el seguimiento de un fenómeno. Dirigidos a
estudios Multitemporales, donde se pueden visualizar
fenómenos como el crecimiento urbano, incendios y explotación
Forestal, tipos de cultivos, etc.
- Actualización de cartas Tradicionales. Utilizando Imágenes
georeferenciadas u Ortoimágenes y actualizar coberturas
existentes o agregando nuevas estructuras.
- SIG y bases de datos georeferenciados.
Universidad de Santiago de Chile 120
Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
5.1.3 Escala de la Espaciocarta
La escala será el elemento fundamental en la representación
cartográfica y está en directa relación con la resolución del sensor,
siendo la resolución espacial la que entregue la capacidad de
diferenciar la distancia mínima entre los objetos del suelo para que
puedan ser discriminados y diferenciados (tamaño del píxel), y
también la resolución espectral en que la combinación de sus bandas
muestre la reacción radiométrica de las diferentes coberturas de la
Tierra, permitiendo entonces generar una representación reducida,
fijando lo limites de lo que podrá ser representado y lo que no, en el
documento Cartográfico que es en este caso la Espaciocarta.
La precisión grafica que tiene un documento cartográfico
análogo, es de 1/5 mm o 0.2 mm que viene a ser la capacidad
máxima de discriminar que tiene el ojo humano.
Sin el error grafico, se puede decir que una precisión teórica en
un documento cartográfico elaborado a partir de una imagen satelital
se puede obtener de una simple regla de tres:
2/2.01
pixelmm
Escala=
(Formula n° 14)
Universidad de Santiago de Chile 121
Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
Una imagen satelital es geométricamente correcta, eliminando
las deformaciones producidas por el relieve, lo que se logra en el
proceso de ortorectificación al aplicar un Modelo Digital de Elevación;
esto indica que al ocupar una imagen Landsat ETM+ se lograría una
escala media de 1: 75000.
Basándose en el Manual de Carreteras, donde dice que el IGM
es la institución encargada de la actualización de la cartografía
nacional y el catalogo de escalas es de 1:25.000; 1:50.000;
1:100.000; 1: 250.000 y 1:500.000.
De acuerdo a esto y como finalidad se generara una
Espaciocarta Temática a escala 1:100.000, en función de representar
el crecimiento urbano, junto con la delimitación comunal y los
caminos principales con el fin de generar un Documento Cartográfico
Alternativo a la Cartografía Convencional generada por el IGM.
Universidad de Santiago de Chile 122
Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
5.2 Análisis de Crecimiento Urbano
5.2.1 Censos
El desarrollo tecnológico, las grandes oportunidades en el sector
laboral, el mayor mercado educacional, los mejores servicios, etc. que
se encuentran en los centros urbanos, conllevan a un mejor estatus
de vida, y así a una mayor esperanza de vida de sus habitantes, y así
también una migración hacia estos centros urbanos, esto provoca un
crecimiento acelerado en tanto en habitantes como en extensión.
Para obtener una información detallada de todos los cambios, ya
sea, número de habitantes, distribución geográfica, características
socioeconómicas, etc. En Chile se realiza el Censo Nacional de
Población y Vivienda, que es la operación estadística más amplia e
importante que se realiza a Nivel Nacional.
El Censo es efectuado por el gobierno nacional con ayuda de las
autoridades regionales, provinciales y municipales. El organismo
encargado del levantamiento censal y de todos sus aspectos técnicos
es el Instituto Nacional de Estadística (INE).
El uso fundamental de este censo es la evaluación y
establecimiento de programas en materia de educación, empleo,
alfabetización, vivienda, entre otros.
Universidad de Santiago de Chile 123
Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
5.2.2 Ley de Censos
La ley de censos fue dictada en el año 1843, en la
administración del Presidente Manuel Bulnes.
Esta ley señaló el plazo máximo de diez años para la realización
regular de censos de población. Ya que en este plazo debieran haber
cambios significativos en la características de la población y la
composición demográfica, la cual esta determinada por fecundidad,
mortalidad y migraciones.
5.2.3 Censo a Nivel Nacional
El total de población en Chile censado en el año 2002 llega a
15.116.435 habitantes en el intervalo 1992 al 2002 hubo un aumento
de la población de 1.768.034 habitantes.
En Chile el crecimiento en los últimos 50 años (1952-2002) ha
aumentado en 9.183.440 habitantes un 154% más que en el año
1952.
La taza de crecimiento Inter-Censal disminuye de 2.5 habitantes
por cada 100 habitantes anualmente entre los años 1952 y 1960 a
una taza de 1.2 habitantes por cada 100 habitantes entre 1992 y
2002.
Universidad de Santiago de Chile 124
Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
ccccsd
Grafico 5,1: Población total Chilena últimos seis años censales. Fuente: datos INE
La taza anual de crecimiento entre los años 1982 y 1992 es de
un 1.6 habitantes por cada 100 habitantes, la cual disminuye
considerablemente en el periodo 1992-2002 que es de 1.2 habitantes
por cada 100 habitantes. Esto indica que hay un menor crecimiento
de habitantes en este último decenio con respeto al anterior. Y esta
entre los cuatro países de menor crecimiento de América Latina.
5.2.4 Censo a Nivel Regional
La Región de Chile en la cual habitan el mayor número de
personas es la Región Metropolitana, con un 40.1% de la población
total del País, la mayoría habita en la ciudad de Santiago con más de
cuatro millones y medio de personas aproximadamente. La que la
antecede el la Región del Bio-Bio con un 12.34%.
Universidad de Santiago de Chile 125
Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
Grafico 5,2: Distribución en porcentaje de la población chilena por regiones.
Fuente de datos INE
La población rural en el año 1992 era de un 16.5% de la
población total, y en el año 2002 es de un 13.4% de la población
total, lo que indica una migración de alrededor de un 3% a las áreas
urbanas.
Universidad de Santiago de Chile 126
Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
Grafico 5,3: cantidad de habitantes región metropolitana
Fuente de datos INE.
La región metropolitana tuvo un aumento de población en el
último decenio de 803.248 habitantes, una cifra menor al decenio
anterior. Pero igual una cifra a considerar para las políticas de
ordenamiento territorial y el Plan Regulador Metropolitano de
Santiago.
Figura 5,1: Región Metropolitana Landsat ETM+
Universidad de Santiago de Chile 127
Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
El aumento de la población se traduce en requerimientos de
más espacio, este espacio puede crearse construyendo mas edificios
(densificar la Población) o puede ser creado aumentando los limites
urbanos de la ciudad.
La generación del espacio para absorber los requerimientos del
aumento de la población deberá realizarse sin provocar distorsiones
en el desarrollo armónico de la ciudad.
En la región Metropolitana Santiago aumentó la cantidad de
viviendas particulares en los últimos 10 años, de 1.286.486 a
1.643.892 vivienda, esto es mas de un 27.7%. Siendo la mayor parte
de este aumento en las áreas urbanas. En la Figura 5,2 se puede
visualizar el aumento del casco urbano en el intervalo de los años
1989 – 2003.
(a) (b)
Figura 5,2: Ciudad de Santiago de Chile en Imagen Landsat TM (a) y Landsat ETM+ (b) con Fecha 17 de Marzo de 1989 y Fecha 19 de
Enero del 2003 respectivamente
Universidad de Santiago de Chile 128
Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
5.2.5 Ciudad de Santiago de Chile
La expansión de la ciudad de Santiago se puede visualizar al
comparar cartografías de distintos años, en la figura 5,4 se puede
identificar el área de expansión de la ciudad entre los años 1998 y
2001, la cartografía de 1998 se efectuó mediante restitución
fotogramétrica a escala 1: 50.000 realizada por el Instituto Geográfico
Militar, en tanto la cartografía de 2001 se obtuvo a través de una
imagen del satélite Landsat ETM+ de resolución espacial 30 metros.
El siguiente grafico se muestra las magnitudes de las áreas
urbanas de estos años.
Grafico 5,4: Área urbana de Santiago en los años 1998 y 2001
Universidad de Santiago de Chile 129
Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
5.2.6 Proceso de Vectorización
La vectorización se realizo en el programa PCI Geomatics,
utilizando la imagen Landsat ETM+ del año 2001 con las bandas del
Infrarrojo Cercano, Rojo y Verde. El proceso se efectuó clasificando el
área que se interpreta como área urbana en la imagen, esta
interpretación se basa en la observación de los indicadores de la
imagen como el Color, la textura, el contexto, el tono, etc. Y también
con la ayuda de herramientas externas como el programa de Internet
Google Earth.
Al comparar coberturas del IGM con las coberturas obtenidas al
vectorizar la imagen, se encontró por ejemplo, zonas que no
concuerdan como es el caso del área urbana donde claramente se
denota en la imagen una incongruencia entre ambas coberturas. Esta
incongruencia entre la dos capas abarca un 1.76 % del área de la
cobertura del IGM, unas 836 hectáreas aprox.
Figura 5,3: Comparación de coberturas
Universidad de Santiago de Chile 130
Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
La incongruencia detectada entre las dos cartografías, puede ser
provocada por errores de interpretación del operador, como también
por deferencias del concepto de área urbana.
5.2.7 Expansión Urbana
Para obtener el aumento de la población urbana y de Viviendas
en dicho periodo, se efectuó a través de una función lineal, ya que
este dato solo se ocupara para un proceso comparativo.
Comunas Pobl. Urbana Pobl. % Área Urbana Hect. Expan. %
1998 2001 1998-2001 1998 2001 1998-2001
Cerrillos 72203 71980 -0,31 951,73 963,83 1,27
Cerro Navia 151281 149054 -1,47 862,46 895,20 3,80
Colina 53048 60370 13,80 0,00 33,19 100,00
Conchalí 141121 135222 -4,18 947,46 1056,96 11,56
El Bosque 174498 175320 0,47 1387,16 1390,03 0,21
El Monte 20508 21840 6,50 149,95 178,67 19,16
Estación Central 134595 131444 -2,34 1275,44 1376,67 7,94
Huechuraba 68825 72759 5,72 287,28 685,36 138,57
Independencia 70405 66711 -5,25 749,71 749,71 0,00
La Cisterna 88956 86077 -3,24 999,42 999,42 0,00
La Florida 350845 361883 3,15 3368,71 3542,23 5,15
La Granja 132826 132597 -0,17 996,76 996,76 0,00
La Pintana 181907 188041 3,37 1474,17 1558,18 5,70
La Reina 95021 96327 1,37 1243,60 1723,50 38,59
Lampa 23487 27043 15,14 68,46 255,52 273,27
Las Condes 233161 245710 5,38 3051,71 3403,10 11,51
Lo Barnechea 62205 69923 12,41 574,92 1435,12 149,62
Lo Espejo 115710 113528 -1,89 745,14 809,99 8,70
Lo Prado 106963 104978 -1,86 652,98 653,18 0,03
Macul 115804 113352 -2,12 1276,53 1276,86 0,03
Maipú 380372 443754 16,66 3646,61 4083,13 11,97
Ñuñoa 167137 164417 -1,63 1633,81 1633,81 0,00
Pedro Aguirre Cerda 120912 116148 -3,94 884,76 884,76 0,00
Peñaflor y Padre Hurtado 87477 94969 8,56 1057,14 1210,70 14,53
Peñalolén 201548 212432 5,40 1284,10 1862,08 45,01
Pirque 6847 8950 30,72 103,44 176,58 70,71
Universidad de Santiago de Chile 131
Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
Providencia 116997 119905 2,49 1301,41 1311,06 0,74
Pudahuel 168712 186372 10,47 932,05 1321,21 41,75
Puente Alto 397213 468755 18,01 2515,67 3324,69 32,16
Quilicura 91581 117395 28,19 371,23 1344,91 262,29
Quinta Normal 108947 105246 -3,40 1250,03 1250,03 0,00
Recoleta 154839 149875 -3,21 1265,59 1317,74 4,12
Renca 131700 133063 1,04 1028,83 1212,26 17,83
San Bernardo 217467 235220 8,16 1751,02 2325,95 32,83
San Joaquín 104182 99264 -4,72 1020,50 1020,50 0,00
San José de Maipo 8751 9171 4,80 161,42 174,76 8,27
San Miguel 80471 79272 -1,49 1008,36 1008,36 0,00
San Ramón 97270 95497 -1,82 622,97 622,97 0,00
Santiago 212866 203811 -4,25 2133,15 2133,15 0,00
Talagante 44853 48681 8,53 379,25 427,45 12,71
Vitacura 80649 81287 0,79 1294,48 1489,52 15,07
Total 5374158 5597642 4,16 46709,41 54119,10 15,86
Tabla 5,1: expansión urbana y crecimiento de la población a nivel
comunal.
Universidad de Santiago de Chile 132
Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
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Figura 5,4: Expansión Urbana de Santiago
Universidad de Santiago de Chile 133
Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
Las comunas que están confinadas en su espacio, no ocurrirá un
aumento de su expansión, pero si se podría provocar un aumento o
disminución en la densificación de la población.
Esto sucede por ejemplo en las comunas de Independencia, La
Cisterna, La Granja, Lo Prado, Macul, Ñuñoa, Pedro Aguirre Cerda,
Quinta Normal, San Joaquín, San Miguel, San Ramón y Santiago, en
estas comunas carecen de la posibilidad de expansión y en ellas se
provoca una disminución de la población lo que implica una
disminución de la densificación de la poblaciones de estas comunas.
Las comunas con mayor expansión urbana, mayores al 100%
son comunas que tenían en 1998 una baja área urbana en
comparación con las demás comunas, es decir, estas son las
expansiones mayores en proporción a cada comuna, en general en
estas comunas no se visualiza un aumento proporcional de la
población con el aumento del área urbana, lo cual indica el aumento
de construcciones ligadas al sector industrial.
1.- Comuna de Puente Alto
La comuna de Puente Alto es la que aglomera la mayor cantidad
de habitantes unos 492.603 en el área urbana con un aumento entre
los dos últimos censos de más de 235.000 habitantes, la construcción
de nuevas viviendas son un reflejo del crecimiento demográfico, un
aumento de 64.331 viviendas a 141.000 viviendas, por lo cual esta
comuna puede representar un buen ejemplo el la expansión del área
urbana.
Universidad de Santiago de Chile 134
Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
Grafico 5,5: Comunas con mayor cantidad de habitantes.
El aumento de 254.127 a 492.606 equivale a un 93.84% y el
aumento aproximado en vivienda es de mayor a un 110%.
Para visualizar la expansión urbana en un periodo similar al
ínter censal, se vectorizaron imágenes de 1989 Landsat TM y de 2001
Landsat ETM+, las dos con resolución espacial de 30 metros y bandas
IRC, Rojo y Verde.
0
50.000
100.000
150.000
200.000
250.000
300.000
350.000
400.000
450.000
500.000
Can
tidad
de
habi
tant
es
PuenteAlto
Maipú La Florida LasCondes
SanBernardo
Peñalolén
Comunas
Comunas con Mayores Cantidades de Habitantes
Puente Alto
Maipú
La Florida
Las Condes
San Bernardo
Peñalolén
Universidad de Santiago de Chile 135
Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
(a) (b)
Figura 5,5: Imagen Landsat TM, de 1989 Puente Alto (a) e Imagen
Landsat ETM+, de 2001 Puente Alto (b).
La expansión urbana obtenida entre estos años es de un
88.92%. Este valor concuerda con los porcentajes de crecimiento
demografía y viviendas en esta comuna en particular.
Universidad de Santiago de Chile 136
Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
Capitulo 6
Conclusiones
Si bien en un principio y como hipótesis se propuso actualizar
cartografía a escala 1: 50.000 la que luego fue descartada por la
escala 1: 100.000, es necesario primero que todo, tener en
consideración antes de proponer la escala a utilizar, el tipo de Imagen
Satelital, el tamaño del píxel y las características del sensor a bordo
del satélite, información muy valiosa porque de ella depende el
resultado final.
Gracias a las ventajas de las imágenes satelitales, es posible
desarrollar gran variedad de análisis de información territorial, los que
pueden ser complementarios a todo lo existente e incluso generar
información que no existía anteriormente, lo que quiere decir que
gracias a estos avances tecnológicos, es posible implementarlos para
actualizar la cartografía existente de manera mas rápida, eficiente y
con resultados de mejor calidad, lo que da paso a que instituciones
encargadas de la Cartografía Nacional como es el caso del Instituto
Geográfico Militar, integre esta tecnología en beneficio del desarrollo
del país.
Uno de esas tecnologías o productos son los Modelos Digitales
de Elevación del programa SRTM (Shuttle Radar Topography Mission),
realizado por el NGA (Agencia Nacional Geoespacial) y la NASA; que
fue capaz de generar la representación mas completa del relieve de la
tierra, a través de un satélite por el método de la Interferometría.
Universidad de Santiago de Chile 137
Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
Las ventajas de este Modelo Digital de Elevación (MDE), es que
representa fielmente la forma del relieve de la Tierra, hay que tener
en consideración, que es imposible generar un MDE tan preciso a
través de información altimétrica como curvas de nivel, Líneas de
agua, Puntos de Control, etc. por ningún método o software de
tratamiento vectorial, es por eso, que en este caso y este modelo en
particular fue de gran importancia a la hora de la generación de la
ortoimagen, aun cuando, el Modelo traía consigo errores que fueron
explicados y subsanados anteriormente.
También estos MDE pueden ser de gran utilidad en la
generación automática de curvas de nivel las que tienden a ser más
precisas que las generadas a través de la restitución, ya que, no traen
consigo errores como por ejemplo los producidos por la mala
interpretación del operador.
Otro de los productos de la tecnología espacial son las Imágenes
Satelitales, que como ya se explico en capítulos anteriores, necesitan
de correcciones para su utilización cartográfica.
En la generación de la Ortoimagen, cobra importancia el nivel
de corrección de la imagen, el método de remuestreo, el Modelo
Matemático ocupado que en este caso fue el de Modelo Orbital, la
distribución y calidad de los Puntos de Control.
Universidad de Santiago de Chile 138
Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
Como se contaba con dos imágenes Landsat ETM+, con distintos
niveles de corrección, la que fue escogida para la aplicación fue la de
nivel 0R, aun cuando, el RMS fue mayor que la imagen de nivel L1G,
se tomó en consideración que el método de remuestreo con que ya
venia la imagen provocó un efecto de escalonamiento, que no puede
ser corregido al ortorectificar la imagen, en cambio, al no tener
ningún tipo de tratamiento la imagen de nivel 0R, se ortorectifico con
un remuestreo de Convolución Cúbica, lográndose acentuar mucho
mas los aspectos lineales (Figuras 4,6 y 4,7), lo que no hace que la
imagen de nivel L1G se desechara, ya que, entrego mucho mas
información espectral que la de nivel 0R, debido a que se contaba con
todas las bandas multiespectrales.
En ambas ortoimágenes aun cuando se lograron residuales
inferiores al tamaño del píxel, el único método de control fue
superponer las coberturas vectoriales, un método de control
alternativo, puede ser la generación de una nueva capa vectorial que
se obtenga de terreno, por ejemplo, una capa vectorial de carretera a
través de GPS diferencial, en donde se comparen ambas capas
vectoriales y se identifiquen las diferencias en la ortoimagen.
De acuerdo a los distintos métodos de corrección de la imagen,
el Modelo de Funciones Racionales es recomendable, cuando no se
cuenta con las Efemérides o los datos orbitales, cuando se cuenta con
parte de la imagen, ocupándolo solamente en zonas planas como por
ejemplo, es el valle de Santiago, para ello es necesario una gran
cantidad de puntos de control distribuidos mas o menos a la misma
distancia uno de otro.
Universidad de Santiago de Chile 139
Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
Si no se cuenta con un MDE es posible realizar una corrección
geométrica (solo en zonas planas), también con una gran cantidad de
puntos de control, distribuidos homogéneamente, donde juega un rol
importante, aparte de los residuales, el orden del polinomio el que a
mayor grado puede generar una deformación en los extremos de la
imagen, y según toda la bibliografía de Imágenes Satelitales
específicamente para Landsat se recomienda un primer orden de
polinomio.
De acuerdo al Espaciocarta, fue la elaboración de un producto
cartográfico, el cual puede ofrecer una representación grafica para
muchos productos o proyectos referentes al ordenamiento y
planificación territorial, el que puede ser aplicado a planes
reguladores, en donde la imagen satelital puede proporcionar, según
su tratamiento, gran cantidad de información geográfica, y una amplia
gama de posibilidades, donde seria necesario la aplicación de la
norma ISO-19130, que es la norma que regula internacionalmente
todo lo que respecta a sensores remotos y fotogramétricos que
producen imágenes.
Respecto de las posibles aplicaciones de la imagen satelital
nombradas anteriormente, fue el análisis de crecimiento urbano, del
que se puede concluir, que de la expansión total de Santiago fue de
un 15.86%, el que no es acorde con el aumento de población 4.61%,
ni tampoco con el aumento de las viviendas particulares que es de un
7.14 % en la región. Aunque se tenga una incongruencia de 1.76%,
este desfasé se puede interpretar como el aumento del sector
industrial y comercial en la periferia de Santiago.
Universidad de Santiago de Chile 140
Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
En algunas comunas del sector norte de la periferia se logran
identificar estructuras que claramente se pueden clasificar como
sectores industriales.
El menor costo del terreno en los sectores periféricos de
Santiago, sumada a la prohibición del Plan Regulador Metropolitano de
Santiago, de no construir industrias al interior del anillo de Américo
Vespucio, provoca el aumento de las industrias en la periferia.
La conveniencia de los propietarios para que sus terrenos estén
incluidos en el área urbana, ya sea por los servicios básicos, el
aumento de la plusvalía, la oportunidad de subdividir en menores
áreas su terreno. Causa una presión que ayuda a la expansión y que
va en desmedro del suelo agrícola de la Región Metropolitana.
Finalmente se puede concluir que la Imagen Satelital, en este
caso Landsat ETM+, como también imágenes de otros satélites,
después de todas sus correcciones y tratamientos, pueden ser de gran
ayuda en los procesos de Actualización y Generación de productos
Cartográficos, siendo necesario pensar en las imágenes satelitales
como un producto tecnológico que puede formar parte integral en las
actividades referentes a la producción y gestión de información
espacial.
Universidad de Santiago de Chile 141
Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
Glosario de Términos
Teledetección: O percepción remota es la técnica de realizar
observaciones ha un objeto sin necesidad de tener contacto físico con
él.
Espectro Electromagnético: Cualquier tipo de energía radiante
en función de su longitud de onda o frecuencia.
Plataformas Satelitales: Son las que sostienen en el espacio a
los distintos sensores que circundan al Globo Terrestre.
Sensor Remoto: Es el instrumento que se encuentra en la
plataforma satelital capaz de captar la energía procedente de la
cubierta terrestre.
Píxel: es un elemento de una imagen de dos dimensiones, el
cual es el más pequeño e indivisible de una imagen digital (Fegas,
1992).
Imagen Satelital: Es una matriz que representa la información
obtenida por un sensor remoto.
Landsat ETM+: Satélite enviado por el por un Programa
espacial, con el objetivo de extender y mejorar el registro de
imágenes de las superficies continentales de Tierra proveído por el
anterior satélites Landsat.
Universidad de Santiago de Chile 142
Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
Correcciones Radiométricas: Se refiere a la remoción o
disminución de las distorsiones en el grado de energía
electromagnética registrada por el sensor.
Correcciones Geométricas: es el cambio de posición en los
píxeles de la imagen, modificando la geometría de la imagen original.
Modelo digital de terreno (MDT): Es una estructura numérica de
datos que representa la distribución espacial de una variable
cuantitativa y continúa” (Felicísimo).
Modelo Digital de Elevación (MDE): Estructura numérica de
datos de elevación que representan la distribución espacial de la
altimetría de la superficie de un terreno.
Ortorectificación: Es una forma de rectificación, en donde se
remueve la distorsión geométrica presentes en la imagen, las que son
producidas por la orientación de la cámara o sensor, el
desplazamiento debido al relieve y los errores sistemáticos asociados
con la imagen.
Cartografía: Conjunto de operaciones que tienen por objeto la
concepción, preparación, redacción y realización de los mapas y
planos.
Escala: Es una relación de proporcionalidad entre las longitudes
de los elementos representados en el mapa o carta y sus magnitudes
lineales reales en el terreno.
Universidad de Santiago de Chile 143
Actualización Cartográfica con Imágenes Satelitales
Referencias Bibliografiítas
Emilio Chuvieco, 1996, Fundamentos de Teledetección Espacial,
Tercera Edición revisada, Ediciones RIALP S.A, 2000. Alcalá,
290.28027 Madrid.
Apuntes, Ángel M. Felicísimo, 1994, Modelos Digitales del
Terreno, http://www.etsimo.uniovi.es/~feli.
Manual Erdas, Capitulo 7 Conceptos Fotogramétricos.pdf, pag
257-302, Capitulo 9 Rectificacion.pdf, pag 341-372.
GDTA, Dominique Durand, 1993, Cuaderno A1 “Las
Espaciocartas”, Ediciones Universidad Católica de Chile.
NASA, Información sobre Landsat, paginas de Internet
http://ltpwww.gsfc.nasa.gov/, http://landsat.gsfc.nasa.gov/,
USGS, United State Geological Survey, http://www.usgs.gov/,
Information sobre SRTM.
Apunte, Beatriz Elena Alzate A., Introducción al Procesamiento
de Imágenes Satelitales, Unidad 4.