Procesamiento de Imágenes del Satélite ASTER para la Actualización de la Red Vial a escala 1:100 000 con fines de Control de Flota

Temática: Teledetección

Autores: Téc. Maitee Méndez Luya, Investigadora agregada Bárbara Agüero Rodríguez. Dr. C. Eloy Pérez García,

Agencia de Teledetección / UCT/GEOCUBA, Calle 4 No. 302, e/ 3ra y 3aA, Miramar, Playa, La Habana, Cuba, CP: 11300.

UCT. Telf.: 209 1693, 209 3592Agencia de teledetección Telf.: 209 1794

barbara@geocuba.cu, eloy@geocuba.co.cu

I- Introducción:

El presente trabajo recoge de forma general los procesos y posibles vías a utilizar para obtener un resultado satisfactorio en las actualizaciones de mapas con imágenes de satélites ASTER.Para la investigación se empleo una imagen ASTER de 24 de junio del 2001 No. 74738 correspondiente a la región de la Ciénega de Zapata y la hoja del Mapa topográfico 1:100 000 No 3884 San Nicolás y los software ENVI 4.1 y Autocad Map 2005.El trabajo se realizo en base a la Metodología General para la Actualización de mapas topográficos a partir de imágenes satelitarias, pero haciendo énfasis en las particularidades de este tipo de imagen. El empleo en Geocuba de la imágenes ASTER permite una reducción considerable de los gastos en divisa ya que estas poseen 14 bandas espectrales, en el modo pancromático tienen 15 metros de resolución espacial y una imagen cubre un área de 3600 Km2 y su costo en el mercado es aproximadamente 10 veces menor que sus homologas.

I-Materiales y métodos

Características de las imágenes ASTER

ASTER es un sensor de imágenes ópticas de alta resolución geométrica y radiométrica, transportado por el satélite TERRA de la NASA, puesto en orbita el 18 de diciembre de 1999. El sensor ASTER tiene un ancho de barrido (swath) de 60 kilómetros y cuenta con dos características fundamentales:

• Alta resolución espacialBandas VNIR 15mBandas SWIR 30mBandas TIR 90m

• Amplio rango espectral3 bandas en VNIR (0.52 – 0.86 μm)6 bandas en SWIR (1.6 – 2.43 μm)5 bandas en TIR (8.125 – 11.65 μm)

El sistema multiespectral ASTER consta de 14 bandas desde al visible al infrarrojo termal. Esta amplia región espectral es cubierta por tres telescopios para los subsistemas VNIR, SWIR y TIR. Un cuarto telescopio en la región del visible-infrarrojo cercano VNIR, es utilizado en posición vista atrás para generar la visión estereoscópica (Aster User’s Guide).

El subsistema VNIR obtiene imágenes del visible e infrarrojo cercano(0.52-0.86 mm) en tres bandas con una resolución espacial de 15 metros,Además tiene una banda adicional que permite visión estereoscópica y laGeneración del Modelo Digital de Terreno de cada escena.Dado los siguientes datos, el subsistema VNIR tiene dos telescopios

1. telescopio vista atrás(backward)2. telescopio visión nadir

El ángulo entre la posición Nadir y la posición vista atrás ha sido diseñado para permitir una relación base altura de 0.6 en la dirección de la orbita Los parámetros de ajustes de los telescopios se sintetizan en:

Ajustes del telescopio Nadir, banda 3N a través de los siguientes parámetros:

1. Precisión en la posición de la línea de visión de los detectores con respecto al sistema de navegación del satélite.

2. Precisión y codificación del error introducido por el sistema de punteo lateral(Pointing) en la dirección along track y cross track de la órbita.Una vez obtenidas las imágenes y los modelos digitales de elevación, se continua el procesamiento con software comerciales, como ENVI para el tratamiento digital de las imágenes ASTER la cartografía generada a partir de datos ASTER, tiene una buena calidad a escala 1:250.000 y aceptable a escala 1:100.000 .

El subsistema SWIR registra la información en 6 bandas del infrarrojoDe onda corta (1.600-2.430 mm) con una resolución espacial de 30

Metros. El subsistema TIR obtiene datos en 5 bandas en la región delInfrarrojo térmico (8.125-11.65 mm) con una resolución espacial de 90Metros.

El siguiente cuadro representa las 14 bandas:

Subsistema No de Banda

RangoEspectral μm

ResoluciónEspacial

VNIR

123N3B

0,52-0,600,63-0,690,76-0,860,76-0,86

15m

SWIR

456789

1,60-1,702,145-2,1852,185-2,2252,235-2,2852,295-2,3652,360-2,430

30m

TIR

1011121314

8,125-8,4758,475-8,8258,925-9,27510,25-10,9510,95-11,65

90m

Tabla 1: Características de Imagen ASTER.

El sistema ASTER tiene dos tipos de datos Nivel 1, 1A y 1B

Nivel 1A se define como la reconstrucción del dato no procesado a máxima resolución. El dato Nivel 1A viene acompañado por un archivo suplementario con las efeméride de posicionamiento del satélite y un archivo auxiliar con la tabla de coeficientes de calibración radiométrica, de corrección geométrica y otros datos sin Aplicar a la imagen.

-Nivel 1B es generado aplicando esos coeficientes del archivo auxiliar, no así el suplementario.

El Nivel 1A es el dato de origen para producir el Modelo Digital de Elevaciones DEM pues posee los parámetros geométricos necesarios que permiten elaborar el DEM sin puntos de control de campo.

Las imágenes a partir de los DEM se obtienen las curvas de contorno relativasse verifica la precisión geométrica de los datos ASTER con puntos de control de campo PCC, de haber un desplazamiento mayor a 15m o 1 píxel para escala 1:100.000, es necesario ajustar la imagen y el DEM. El resultado de la fusión de la información

generada a partir de las imágenes ASTER con el procesamiento digital de los datos raster y vectoriales hasta llegar a la representación cartográfica donde cada elemento está representado por un atributo numérico que extrae la simbología a graficar del diccionario de líneas y puntos de elementos geográficos.Teniendo en cuenta el amplio diapasón de bandas espectrales sobre todo en el infrarrojo térmico, estas imágenes son ideales para los estudios de vegetación, geológicos y medio ambientales.

Características de software ENVI:

El software ENVI es un moderno sistema de procesamiento de imágenes diseñado para proporcionar análisis multiespectral de los datos obtenidos por la teledetección desde aviones y satélites, puede analizar imágenes de cualquier tamaño, con su procesamiento de imágenes basado en ficheros y bandasENVI le permite trabajar con imágenes estero, bandas individuales o ambas, cada banda espectral esta disponible para todas las funciones del sistema. Se puede seleccionar bandas de varios ficheros para procesarlas juntas.ENVI esta completamente escrito en IDL (lenguaje de datos interactivo), basado en matrices, que proporciona un procesamiento de imágenes integrado, grandes capacidades de visualización.Posee además las herramientas necesarias para el tratamiento de las fotos aéreas e imágenes de radar las que son muy útiles cuando encontramos cubrimiento de nubes. Envi es el software ideal de fácil manejo para el procesamiento de datos en la gestión del medio ambiente, y calidad de productos, proporcionando una fuente segura de información en el campo, estas imágenes detectan minerales específicos o manchas de petróleo, ofrece el máximo de información para el planeamiento y análisis urbano , se puede hacer un estudio morfológico del terreno a partir de la batimetría con una amplia variedad de sensores ópticos y de radar muy usados en los estudios Oceanográficos y costeros .

Un gran número de profesionales usan este software para optimizar los proyectos de impactos ambientales ganando tiempo al poder monitorear áreas de riesgo, reconocimientos de patrones y análisis topográficos, las herramientas ideales para ser aplicados en la inteligencia militar

II-Procesamiento de imágenes ASTER en el software ENVI.

Despliegue de la imagen.En la Barra de Menú del ENVI.File/ Open Imagen File.Aparece una ventana, se le dará la ubicación del fichero donde se encuentra ubicada la imagen.La ventana / Enter Data Filenames/ abrí la imagen.Aparecerá: Avaliable Bands List, en la pantalla.

Fig. 1 Barra de Menú Principal

Fig.2 Selección de fichero.

Fig.3 Ventana donde se Encuentra la Imagen

Se hace una selección combinando las Bandas deseadas en “RGB color” o si es la banda pancromática en “Grey Scale” (escala de grises) entonces se pulsa el Botón “Load RGB” o “Load Band” según halla sido la elección anterior de Pancromático o Multiespectral.

Fig.4 Selección de Bandas

Fig.5 Ventana donde se Visualiza a la Máxima Resolución.

Fig.6 Ventana scroll, donde se Visualiza Fig.7 Ventana Zoon Una copia Reducida de la Imagen Completa.

Observamos la barra principal toda una serie de herramientas.Seleccionando en la Barra de Menú Principal / MAP/ Convert MAP Projection

Fig.8 Barra de Menú Principal utilizada para llevar a cabo la Projection

En la fig.9 encontramos la ventana /Convert Map Projection Input Image, seleccionamos la banda que vamos a trabajar

. Fig.9 Pasos para la selección de la Banda.

En la Ventana Select Spatial Subset Seleccionamos la opción Image y damos OK.

Fig.10 Selección de Imagen para Convertir.

En la siguiente Ventana nos muestra como seleccionar la imagen.• Se marca con el Mouse según la imagen que quieras utilizar, o por

coordenadas de imagen.• Una vez que se tiene la imagen se pulsa OK

Fig.11 Selección de Imágenes.

Ya seleccionada la imagen pasamos a la siguiente ventana, que nos permite darle la proyección.

• En Select Output Map Projection/ Cuba N.• Datum/Cuba (NAD27) se pulsa Ok • Units en Metros / se introduce el nombre del fichero antes de presionar el

botón aceptar (OK).• Conocer los datos /Polynomial / Bilineal así como darle nombre al fichero,

automáticamente presionando OK. Ejemplo: Fig.14.

Fig.12 Parámetros de proyección Fig.13 Selección del dato.

Fig.14 Registro de parámetros

Y en la figura siguiente encontramos una pequeña demostración de cómo hace el proceso. Ejemplo: Fig.15

Fig.15 Ejemplo de Proceso Polinomial /Bilinial Una vez terminado el proceso, nos encontramos nuevamente en la ventana Avaliable Bands List, combinando las bandas según el trabajo a realizar. Para llevar a cabo la georreferenciacion por coordenadas de mapa.

Fig.16 Muestra de la imagen Georreferenciada.

III-Georreferenciacion

1. Barra de Menú Principal / Map / Registration / Select GCPs: Imagen to Map.

2. Se le aplica la Proyeccion / Cuba N / Datum/Cuba (NAD27).3. Units en Metros/ Seguidamente se le da los valores promedios según la

Resolución Espacial 15m / automáticamente presionando OK. 4. Aparece la opción de seleccionar los GCPs (Ground Control Points)

Puntos de Control de Tierra que serán ubicados al ser seleccionados de un mapa topográfico (Image to Map).

5. Con estas funciones podemos alcanzar la calidad y cantidad de puntos de control, como nos muestra la fig.18.

6. Añada GCPs de forma individua que usted conozca las coordenadas cartográficas. Pulse "Add" para añadir el GCP a la lista. Pruebe con otros puntos para acostumbrarse a la selección de GCPs. A partir del 4 punto se mostrará el error medio cuadrático (error RMS).

7. Con Show List verifique cual es el peor punto. Pulse sobre "On / Off " para sustraer los GCPs seleccionados de los cálculos del modelo de ajuste y del error RMS. Esos GCPs no estarán realmente borrados, solamente no son

tenidos en cuenta pero pueden volverse a usar si pulsamos el botón "On / Off Button" de nuevo.

8. Pulsando sobre el botón "Delete" el GCP será borrado de la lista. Posicionando el cursor en las dos ventanas de Zoom y pulsando "Update" se actualizará el GCP a la posición actual de los cursores.

9. En el diálogo Ground Control Points Selection, seleccione Options-> Warp File.

10. Se muestra la opción Imput Warp Image, donde seleccionamos según la banda que se trabaje seguidamente presionando OK / aparece /Registration Parametres.

11. Elija: Polynomial y un remuestreo de Cubic Convolution, Bilinear, Nearest Neighbor en el diálogo Registration Parameters. Pulse sobre el Fichero a Referenciar y presione "OK"

12. Al Pinchar OK comienza el procesamiento de los datos para la georreferenciacion.

13. Una vez que concluye el proceso aparece la caja de dialogo “Available Bands List”, que nos muestra la imagen georreferenciada.

14.El siguiente paso consiste en salvar la imagen, para insertarla en el software Auto CAD MAP.

15. Barra de Menú Principal /Save File As /TIFF/Geo TIFF./le damos un clip con el Mouse y aparece la ventana / Output to TIFF/GeoTIFF Input Filename.

16. Selección de la imagen georef/ Select Spatial Subset/ Image y damos OK.17. Al seleccionar ok encontramos otra ventana que nos brinda la opción de

salvar el fichero, dando le el camino y presionando OK. Se termina el trabajo con el software ENVI.

Fig.17 Barra de Menú Principal para el Procesamiento de georreferenciacion.

Fig.18 Ventana para registrar la proyección

Fig.19 Ventana donde se introduce las Coordenadas cartográficas.

Fig.20 Con Show List se verifican los puntos.

Fig.21 Selección de Imagen.

Fig.22 Aplicación de transformación Polynomial y La interpolación Bilineal;

Fig.23 Barra Principal mostrando la aplicación de Save File As/ TIFF/GeoTIFF.

IV-Procesamiento para la Actualización con imagines ASTER.

Con la ayuda del Software AutoCAD Map cargamos el fichero de imagen, en cualquiera de los formatos que se explican en el acápite LOS FORMATOS DISPONIBLES y que conserven los datos de georreferenciación por opción “Map” => “Image” => “Insert…” Al seleccionar la imagen que se insertará aparece la caja de dialogo: “Image Correlation”En esta ventana se puede comprobar las coordenadas de Inserción y las que trae la imagen como dato, además de las unidades de medida, la escala y otros datos con que quedará insertada en AutoCAD. Con el paso del tiempo en el terreno ocurren cambios, apareciendo y desapareciendo por diferentes motivos los elementos que existen en él. Surge por tanto la necesidad de actualizar los mapas, incorporando a estos los nuevos objetos que aparecen en la superficie terrestre y eliminando aquellos que han dejado de existir.Es necesario conocer el grado de envejecimiento del mapa a actualizar es indispensable para poder seleccionar una variante óptima de actualización.

Fig.23 Imagen de la Cartografía en Autocad.

Fig.24 Ventana de Correlación de Imágenes.

Para localizar los nuevos elementos por procedimientos visuales, basta con comparar el mapa digital o el mapa digital impreso, con la imagen insertada en la cartografía. Estos se señalizan para facilitar la clasificación posterior de los nuevos elementos, la comparación puede realizarse por sectores delimitados por contornos bien definidos a la comparación de otro sector solo se pasa al terminar con el anterior.Todo lo que se pueda clasificar sin lugar a errores, puede vectorizarse o editarse inmediatamente, lo que se hará en pantalla sobre la imagen, con ayuda del programa AUTOCAD MAP. La edición se realiza según se establece en el Manual de Símbolos Convencionales Digital para las escalas 1: 25 000,1: 50 000 y 1: 100 000. Cada elemento en la capa que le corresponde. En caso de existir algún elemento que por indicación necesite una nueva capa, ésta se creará en dependencia de lo que se expresa en las indicaciones emitidas al respecto.

Por tanto con una preparación mínima las imágenes quedan listas para ser utilizadas en un tiempo que depende en gran medida del software que se utilice y la practica del ejecutante.

Fig.25 Muestra de la Cartografía sobre la imagen georreferenciada.

Fig.25 Localización de los nuevos elementos.

V-Conclusiones: • El trabajo realizado a demostrado la capacidad de las imágenes ASTER para

ser empleadas en la actualización de la red vial de los mapas topográficos 1:100 000 con fines de Control de Flota.

• La investigación llevada a cabo en este sentido nos ha permitido crear condiciones para enfrentar los volúmenes de procesamiento de estas imágenes que se prevé en el futuro inmediato.

VI-Bibliografía: • Contribuciones técnicas Proyecto GEOSAT –AR. SEGEMAR, Anales No 41,

Buenos Aires 2005.• Manual de Usuario para el uso y Manejo del Software ENVI 4.0 referido al

proceso de actualización topográfica. Agencia de Teledetección UCT Geocuba IC, La Habana 2006.

• Mantilla Ávila A. Metodología para la actualización del mapa topográfico digital a escala 1:25 000 utilizando imágenes de satélite de alta resolución. Agencia de Teledetección UCT Geocuba IC, La Habana 2005

• Pérez García E. Torrientes Martínez L. Metodología para la Producción de Espacio Mapas Agencia de Teledetección UCT Geocuba IC, La Habana 2003.

• Pérez García E. Torrientes Martínez L. Estado de la Teledetección en América Latina. . Agencia de Teledetección UCT Geocuba IC, La Habana 2005.