Modelización del cálculo de Indicadores Ambientales, a partir de sensores ópticos de alta resolución temporal a bordo de satélite

La presente tesis doctoral tiene por objeto el estudio y análisis de técnicas y modelos de obtención de parámetros biofísicos e indicadores ambientales, de manera automatizada a partir de imágenes procedentes de satélite de alta resolución temporal. En primer lugar se revisan los diferentes programas espaciales de observación del territorio, con especial atención a los que proporcionan dicha resolución. También se han revisado las metodologías y procesos que permiten la obtención de diferentes parámetros cuantitativos y documentos cualitativos, relacionados con diversos aspectos de las cubiertas terrestres, atendiendo a su adaptabilidad a las particularidades de los datos. En segundo lugar se propone un modelo de obtención de parámetros ambientales, que integra información proveniente de sensores espaciales y de otras fuentes auxiliares utilizando, en cierta medida, las metodologías presentadas en apartados anteriores y optimizando algunas de las referidas o proponiendo otras nuevas, de manera que se permita dicha obtención de manera eficiente, a partir de los datos disponibles y de forma sistemática. Tras esta revisión de metodologías y propuesta del modelo, se ha procedido a la realización de experimentos, con la finalidad de comprobar su comportamiento en diferentes casos prácticos, depurar los flujos de datos y procesos, así como establecer las situaciones que pueden afectar a los resultados. De todo ello se deducirá la evaluación del referido modelo. Los sensores considerados en este trabajo han sido MODIS, de alta resolución temporal y Thematic Mapper (TM), de media resolución espacial, por tratarse de instrumentos de referencia en la realización de estudios ambientales. También por la duración de sus correspondientes misiones de registro de datos, lo que permite realizar estudios de evolución temporal de ciertos parámetros biofísicos, durante amplios periodos de tiempo. Así mismo. es de destacar que la continuidad de los correspondientes programas parece estar asegurada. Entre los experimentos realizados, se ha ensayado una metodología para la integración de datos procedentes de ambos sensores. También se ha analizado un método de interpolación temporal que permite obtener imágenes sintéticas con la resolución espacial de TM (30 m) y la temporal de MODIS (1 día), ampliando el rango de aplicación de este último sensor. Asimismo, se han analizado algunos de los factores que afectan a los datos registrados, tal como la geometría de la toma de los mismos y los episodios de precipitación, los cuales alteran los resultados obtenidos. Por otro lado, se ha comprobado la validez del modelo propuesto en el estudio de fenómenos ambientales dinámicos, en concreto la contaminación orgánica de aguas embalsadas. Finalmente, se ha demostrado un buen comportamiento del modelo en todos los casos ensayados, así como su flexibilidad, lo que le permite adaptarse a nuevos orígenes de datos, o nuevas metodologías de cálculo. Abstract This thesis aims to the study and analysis of techniques and models, in order to obtain biophysical parameters and environmental indicators in an automated way, using high temporal resolution satellite data. Firstly we have reviewed the main Earth Observation Programs, paying attention to those that provide high temporal resolution. Also have reviewed the methodologies and process flow diagrams in order to obtain quantitative parameters and qualitative documents, relating to various aspects of land cover, according to their adaptability to the peculiarities of the data. In the next stage, a model which allows obtaining environmental parameters, has been proposed. This structure integrates information from space sensors and ancillary data sources, using the methodologies presented in previous sections that permits the parameters calculation in an efficient and automated way. After this review of methodologies and the proposal of the model, we proceeded to carry out experiments, in order to check the behavior of the structure in real situations. From this, we derive the accuracy of the model. The sensors used in this work have been MODIS, which is a high temporal resolution sensor, and Thematic Mapper (TM), which is a medium spatial resolution instrument. This choice was motivated because they are reference sensors in environmental studies, as well as for the duration of their corresponding missions of data logging, and whose continuity seems assured. Among the experiments, we tested a methodology that allows the integration of data from cited sensors, we discussed a proposal for a temporal interpolation method for obtaining synthetic images with spatial resolution of TM (30 m) and temporal of MODIS (1 day), extending the application range of this one. Furthermore, we have analyzed some of the factors that affect the recorded data, such as the relative position of the satellite with the ground point, and the rainfall events, which alter the obtained results. On the other hand, we have proven the validity of the proposed model in the study of the organic contamination in inland water bodies. Finally, we have demonstrated a good performance of the proposed model in all cases tested, as well as its flexibility and adaptability.

Confección de cartografía temática de coberturas del suelo mediante imágenes aerotransportadas de alta resolución.

El objetivo del presente Proyecto Fin de Carrera es la elaboración de cartografía base de la zona Rivas - Vaciamadrid, situada al noreste de Madrid, a partir de imágenes de alta resolución espacial pancromáticas y en color obtenidas mediante teledetección aerotransportada de la zona. Se pretende poder facilitar el reconocimiento de la morfología y la geología natural de la zona desde la clasificación de la cobertura del suelo. La zona de trabajo actualmente está construida y en el momento del registro de datos se encontraba en estado natural. La finalidad consiste en proporcionar una información temática que permita llevar a cabo estudios de análisis de cobertura y de cambios. Se trata de una imagen en alta resolución por un sensor aerotransportado, ATM (Airbone Thematic Mapper), de naturaleza pasiva. La imagen fue registrada en el año 1997 y contiene información clasificada en 11 bandas del espectro electromagnético. El proyecto consta de dos partes: 1. Confección de cartografía base: o Documentación previa de los aspectos físicos globales (geomorfológicos, geológicos, hidrológicos) del área de estudio, a través de los documentos que puedan existir en internet con acceso libre. o Obtención de cartografía a escala 1/25000. 2. Confección de la cartografía temática: o Selección de la zona de estudio dentro de la imagen registrada y tratada en la primera parte del proyecto. o Clasificación de la imagen para análisis y definición de la cobertura del suelo. o Edición de la cartografía temática. El resultado del proyecto es una cartografía base, a escala 1/25000, que contiene información descriptiva sobre la distinta cobertura de suelo de la zona a tratar, antes de que ésta fuera construida y/o modificada artificialmente, y cartografía temática de la zona de interés.

Classification of Satellite Images by means of Fuzzy Rules generated by a Genetic Algorithm

The data acquired by Remote Sensing systems allow obtaining thematic maps of the earth's surface, by means of the registered image classification. This implies the identification and categorization of all pixels into land cover classes. Traditionally, methods based on statistical parameters have been widely used, although they show some disadvantages. Nevertheless, some authors indicate that those methods based on artificial intelligence, may be a good alternative. Thus, fuzzy classifiers, which are based on Fuzzy Logic, include additional information in the classification process through based-rule systems. In this work, we propose the use of a genetic algorithm (GA) to select the optimal and minimum set of fuzzy rules to classify remotely sensed images. Input information of GA has been obtained through the training space determined by two uncorrelated spectral bands (2D scatter diagrams), which has been irregularly divided by five linguistic terms defined in each band. The proposed methodology has been applied to Landsat-TM images and it has showed that this set of rules provides a higher accuracy level in the classification process

Analysis of Thematic Classified Aerial Images Trough Multispectral and LIDAR Data

The application of thematic maps obtained through the classification of remote images needs the obtained products with an optimal accuracy. The registered images from the airplanes display a very satisfactory spatial resolution, but the classical methods of thematic classification not always give better results than when the registered data from satellite are used. In order to improve these results of classification, in this work, the LIDAR sensor data from first return (Light Detection And Ranging) registered simultaneously with the spectral sensor data from airborne are jointly used. The final results of the thematic classification of the scene object of study have been obtained, quantified and discussed with and without LIDAR data, after applying different methods: Maximum Likehood Classification, Support Vector Machine with four different functions kernel and Isodata clustering algorithm (ML, SVM-L, SVM-P, SVM-RBF, SVM-S, Isodata). The best results are obtained for SVM with Sigmoide kernel. These allow the correlation with others different physical parameters with great interest like Manning hydraulic coefficient, for their incorporation in a GIS and their application in hydraulic modeling.

Spatial and thematic assessment of object- based forest stands delineation using OFA-matrix

Validación de la cartografía generada del terreno a partir de una nuevo sistema de validación propuesto

Novel parameters for evaluating the Spatial and Thematic accuracy of land cover maps.

Se proponen novedosas fórmulas para evaluar la certeza de la cartografía

Elaboración de cartografía temática de usos de suelo del valle de Tamanart (Marruecos) a partir de imágenes Landsat.

El objetivo del presente Proyecto Fin de Carrera es la elaboración de cartografía base de la zona del Valle de Tamanart y la elaboración de un documento cartográfico que muestre la distribución de minerales en ella. Se pretende poder facilitar el reconocimiento del área arqueológica de estudio desde la perspectiva del análisis físico para correlacionar el material de superficie con la aparición de petroglifos o restos arqueológicos. En la investigación arqueológica de países emergentes es difícil contar con cartografía previa de la zona de interés en la realización de las campañas de campo. Se pretende plantear una metodología general de creación de cartografía básica y cartografía temática de distribución de minerales en superficie mediante técnicas de teledetección utilizando imágenes de satélite que sean gratuitas a través de la red. El proyecto consta de dos partes: 1. Confección de la cartografía base: - Primero: se realiza una breve descripción documentada de los aspectos físicos globales (geomorfológicos, geológicos, hidrológicos…) del área de estudio, a través de los documentos que puedan existir en Internet con acceso libre y con la información aportada por el grupo de investigación. - Segundo: Para poder obtener la base cartográfica se realiza el tratamiento de datos de las escenas de los satélites. Las escenas gratuitas disponibles han sido dos imágenes de la misma zona, una del satélite Landsat7 y otra del satélite Landsat5, descargadas del servidor GLOVIS (USGS Global Visualization Viewer). Confección de la cartografía temática: - Selección de la zona de estudio en las imágenes de teledetección ya tratadas en la primera parte del proyecto. - Clasificación de la imagen para usos de suelo. - Edición de la cartografía temática. El resultado del proyecto son la cartografía base y de coberturas superficiales de distribución de minerales sobre la que se ubican los yacimientos arqueológicos de la zona, yacimientos y paneles que fueron georreferenciados en la campaña de campo 2013. El PFC se realiza en colaboración con el Departamento de Prehistoria de la UNED, responsables de la investigación arqueológica en la zona de estudio.

Análisis de las capacidades de los sistemas Landsat y E01 para la actualización cartográfica. Estudio de un caso práctico.

Junto con el incremento de la resolución espacial, el desarrollo de las técnicas de interpretación multiespectrales e hiperespectrales es otro de los campos de investigación actual en teledetección. Es de suponer que una de las vías naturales de evolución de las plataformas espaciales será sin duda la incorporación de sensores de mayor resolución espectral. A partir de ahí se comenzará a sustituir el tradicional análisis multiespectral,basado en los datos de a lo sumo cinco o seis bandas, por el hiperespectral, que habrá de manejar datos de varios centenares de bandas simultáneamente. Ya existen satélites con sensores hiperespectrales en órbita, como Hyperion, montado sobre el satélite EO-1, el cual estudiamos en este proyecto. La detección de cambios, surge ante la necesidad de actualizar la cartografía de forma periódica. La evaluación de cambios producidos en el terreno se realiza manualmente y requiere de la supervisión por parte de un operador experto. Esto implica una importante inversión en tiempo, con su consecuente coste económico. Las imágenes satélite constituyen una valiosa fuente para estudiar los cambios que se producen en la superficie terrestre. En un ciclo productivo basado en imágenes numéricas, es de esperar que se ahorre una importante cantidad de trabajo introduciendo procedimientos de detección de cambios que se puedan implementar en procesos de carácter automático. Desde hace unas décadas, se están utilizando como fuentes de datos para diversos usos en detección de cambios, los sensores transportados en plataformas aeroespaciales. En resumen, el objetivo de éste proyecto es analizar los métodos de análisis multitemporal aplicados a imágenes de satélite, para lo cual se hará un estudio comparativo de las características de las imágenes proporcionadas por las plataformas Landsat y EO-1.Como resultado de ello, se obtendrá documentación cartográfica.

Drought estimation maps by means multidate landsat fused images

The purpose of this paper is to analyze the usefulness of traditional indexes, such as NDVI and NDWI along with a recently proposed index (NDDI) using merged data for multiple dates, with the aim of obtaining drought data to facilitate the analysis for government premises. In this study we have used Landsat 7 ETM+ data for the month of June (2001-2009), which merged to get bands with twice the resolution. The three previous indices were calculated from these new bands, getting in turn drought maps that can enhance the effectiveness of decision making.