Metodología del análisis de imágenes digitales para el estudio del contenido de humedad en vertisoles

Desde finales del siglo pasado, el procesamiento y análisis de imágenes digitales, se ha convertido en una poderosa herramienta para la investigación de las propiedades del suelo a múltiples resoluciones, sin embargo todavía no existen los mejores resultados en cuanto a estos trabajos. El principal problema para investigar el drenaje vertical a partir de la distribución de humedad en un perfil de vertisol es la búsqueda de métodos factibles que usen este procedimiento. El objetivo general es implementar una metodología para el procesamiento y análisis de imágenes digitales, que permita caracterizar la distribución del contenido de humedad de un perfil de vertisol. Para el estudio, doce calicatas fueron excavadas en un Mazic Pellic Vertisol, seis de ellas en mayo 13/2011 y el resto en mayo 19/2011 después de moderados eventos de lluvia. Las imágenes RGB de los perfiles fueron tomadas con una cámara Kodak™; con tamaños seleccionados de 1600 x 945 píxeles cada una fue procesada para homogeneizar el brillo y se aplicaron filtros suavizadores de diferentes tamaños de ventana, hasta obtener el óptimo. Cada imagen se dividió en sus matrices componentes, seleccionando los umbrales de cada una para ser aplicado y obtener el patrón digital binario. Este último fue analizado a través de la estimación de dos exponentes fractales: dimensión de conteo de cajas (DBC) y dimensión fractal de interfase húmedo seco (Di). Además, fueron determinados tres coeficientes prefractales a la máxima resolución: número total de cajas interceptados en el plano del patrón (A), la lagunaridad fractal (λ1) y la entropía de Shannon (S1). Para todas las imágenes obtenidas, basado en la entropía, los análisis de clúster y de histogramas, el filtro espacial de 9x9 resultó ser el de tamaño de ventana óptimo. Los umbrales fueron seleccionados a partir del carácter bimodal de los histogramas. Los patrones binarios obtenidos mostraron áreas húmedas (blancas) y secas (negras) que permitieron su análisis. Todos los parámetros obtenidos mostraron diferencias significativas entre ambos conjuntos de patrones espaciales. Mientras los exponentes fractales aportan información sobre las características de llenado del patrón de humedad, los coeficientes prefractales representan propiedades del suelo investigado. La lagunaridad fractal fue el mejor discriminador entre los patrones de humedad aparente del suelo. ABSTRACT From last century, digital image processing and analysis was converted in a powerful tool to investigate soil properties at multiple resolutions, however, the best final procedure in these works not yet exist. The main problem to study vertical drainage from the moisture distribution, on a vertisol profile, is searching for suitable methods using these procedures. Our aim was to design a digital image processing methodology and its analysis to characterize the moisture content distribution of a vertisol profile. In this research, twelve soil pits were excavated on a bare Mazic Pellic Vertisol, six of them in May 13/2011 and the rest in May 19/2011 after a moderate rainfall event. Digital RGB images were taken from each vertisol pit using a Kodak™ camera selecting a size of 1600x945 pixels. Each soil image was processed to homogenized brightness and then a spatial filter with several window sizes was applied to select the optimum one. The RGB image obtained were divided in each matrix color selecting the best thresholds for each one, maximum and minimum, to be applied and get a digital binary pattern. This one was analyzed by estimating two fractal scaling exponents: box counting dimension (DBC

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.

Propuesta para la elaboración de mapas de vegetación en ecosistemas tropicales a partir de imágenes de satélite

En este trabajo se presenta un procedimiento para la generación de cartografía vegetal basada en la clasificación de imágenes de satélite aplicable a los ecosistemas tropicales. Esta técnica constituye una alternativa eficaz para generar mapas detallados y actualizados en estos ecosistemas.

Caracterización de clases de ocupación de suelo y usos agrícolas en un área de la provincia de Toledo (Talavera de la Reina) a partir de imágenes de satélite de media resolución.

Con el presente proyecto se ha pretendido realizar una clasificación de los distintos usos del suelo en la provincia de Toledo y de forma más precisa en el municipio de Talavera de la Reina. Se ha profundizado en los conocimientos sobre teledetección adquiridos durante los años de estudio de la titulación de Ingeniero Técnico en Topografía, cubriendo las aplicaciones más importantes. Para ello, en primer lugar se debe recopilar la información, en este caso se han utilizado dos imágenes Landsat 8 - OLI (19/4/2013 - 9/8/2013) y con el software adecuado se realiza la clasificación dividiendo el suelo en los usos más frecuentes de dicha zona. El resultado obtenido nos muestra los distintos usos del suelo en el año de estudio, 2013, y exponer el potencial de las técnicas de teledetección, para así poder interpretar y llegar a conocer temas de gran relevancia como el aprovechamiento del terreno o el desarrollo del sector agrícola en la zona. El procedimiento consta de la elaboración de los correspondientes documentos cartográficos de usos del suelo y vegetación para el año 2013 a partir de las imágenes de satélite.

Evaluation of cover crops based on characteristics of nitrogen use, and aerial and root growth

La caracterización de los cultivos cubierta (cover crops) puede permitir comparar la idoneidad de diferentes especies para proporcionar servicios ecológicos como el control de la erosión, el reciclado de nutrientes o la producción de forrajes. En este trabajo se estudiaron bajo condiciones de campo diferentes técnicas para caracterizar el dosel vegetal con objeto de establecer una metodología para medir y comparar las arquitecturas de los cultivos cubierta más comunes. Se estableció un ensayo de campo en Madrid (España central) para determinar la relación entre el índice de área foliar (LAI) y la cobertura del suelo (GC) para un cultivo de gramínea, uno de leguminosa y uno de crucífera. Para ello se sembraron doce parcelas con cebada (Hordeum vulgare L.), veza (Vicia sativa L.), y colza (Brassica napus L.). En 10 fechas de muestreo se midieron el LAI (con estimaciones directas y del LAI-2000), la fracción interceptada de la radiación fotosintéticamente activa (FIPAR) y la GC. Un experimento de campo de dos años (Octubre-Abril) se estableció en la misma localización para evaluar diferentes especies (Hordeum vulgare L., Secale cereale L., x Triticosecale Whim, Sinapis alba L., Vicia sativa L.) y cultivares (20) en relación con su idoneidad para ser usadas como cultivos cubierta. La GC se monitorizó mediante análisis de imágenes digitales con 21 y 22 muestreos, y la biomasa se midió 8 y 10 veces, respectivamente para cada año. Un modelo de Gompertz caracterizó la cobertura del suelo hasta el decaimiento observado tras las heladas, mientras que la biomasa se ajustó a ecuaciones de Gompertz, logísticas y lineales-exponenciales. Al final del experimento se determinaron el C, el N y el contenido en fibra (neutrodetergente, ácidodetergente y lignina), así como el N fijado por las leguminosas. Se aplicó el análisis de decisión multicriterio (MCDA) con objeto de obtener un ranking de especies y cultivares de acuerdo con su idoneidad para actuar como cultivos cubierta en cuatro modalidades diferentes: cultivo de cobertura, cultivo captura, abono verde y forraje. Las asociaciones de cultivos leguminosas con no leguminosas pueden afectar al crecimiento radicular y a la absorción de N de ambos componentes de la mezcla. El conocimiento de cómo los sistemas radiculares específicos afectan al crecimiento individual de las especies es útil para entender las interacciones en las asociaciones, así como para planificar estrategias de cultivos cubierta. En un tercer ensayo se combinaron estudios en rhizotrones con extracción de raíces e identificación de especies por microscopía, así como con estudios de crecimiento, absorción de N y 15N en capas profundas del suelo. Las interacciones entre raíces en su crecimiento y en el aprovisionamiento de N se estudiaron para dos de los cultivares mejor valorados en el estudio previo: uno de cebada (Hordeum vulgare L. cv. Hispanic) y otro de veza (Vicia sativa L. cv. Aitana). Se añadió N en dosis de 0 (N0), 50 (N1) y 150 (N2) kg N ha-1. Como resultados del primer estudio, se ajustaron correctamente modelos lineales y cuadráticos a la relación entre la GC y el LAI para todos los cultivos, pero en la gramínea alcanzaron una meseta para un LAI>4. Antes de alcanzar la cobertura total, la pendiente de la relación lineal entre ambas variables se situó en un rango entre 0.025 y 0.030. Las lecturas del LAI-2000 estuvieron correlacionadas linealmente con el LAI, aunque con tendencia a la sobreestimación. Las correcciones basadas en el efecto de aglutinación redujeron el error cuadrático medio del LAI estimado por el LAI-2000 desde 1.2 hasta 0.5 para la crucífera y la leguminosa, no siendo efectivas para la cebada. Esto determinó que para los siguientes estudios se midieran únicamente la GC y la biomasa. En el segundo experimento, las gramíneas alcanzaron la mayor cobertura del suelo (83-99%) y la mayor biomasa (1226-1928 g m-2) al final del mismo. Con la mayor relación C/N (27-39) y contenido en fibra digestible (53-60%) y la menor calidad de residuo (~68%). La mostaza presentó elevadas GC, biomasa y absorción de N en el año más templado en similitud con las gramíneas, aunque escasa calidad como forraje en ambos años. La veza presentó la menor absorción de N (2.4-0.7 g N m-2) debido a la fijación de N (9.8-1.6 g N m-2) y escasa acumulación de N. El tiempo térmico hasta alcanzar el 30% de GC constituyó un buen indicador de especies de rápida cubrición. La cuantificación de las variables permitió hallar variabilidad entre las especies y proporcionó información para posteriores decisiones sobre la selección y manejo de los cultivos cubierta. La agregación de dichas variables a través de funciones de utilidad permitió confeccionar rankings de especies y cultivares para cada uso. Las gramíneas fueron las más indicadas para los usos de cultivo de cobertura, cultivo captura y forraje, mientras que las vezas fueron las mejor como abono verde. La mostaza alcanzó altos valores como cultivo de cobertura y captura en el primer año, pero el segundo decayó debido a su pobre actuación en los inviernos fríos. Hispanic fue el mejor cultivar de cebada como cultivo de cobertura y captura, mientras que Albacete como forraje. El triticale Titania alcanzó la posición más alta como cultiva de cobertura, captura y forraje. Las vezas Aitana y BGE014897 mostraron buenas aptitudes como abono verde y cultivo captura. El MCDA permitió la comparación entre especies y cultivares proporcionando información relevante para la selección y manejo de cultivos cubierta. En el estudio en rhizotrones tanto la mezcla de especies como la cebada alcanzaron mayor intensidad de raíces (RI) y profundidad (RD) que la veza, con valores alrededor de 150 cruces m-1 y 1.4 m respectivamente, comparados con 50 cruces m-1 y 0.9 m para la veza. En las capas más profundas del suelo, la asociación de cultivos mostró valores de RI ligeramente mayores que la cebada en monocultivo. La cebada y la asociación obtuvieron mayores valores de densidad de raíces (RLD) (200-600 m m-3) que la veza (25-130) entre 0.8 y 1.2 m de profundidad. Los niveles de N no mostraron efectos claros en RI, RD ó RLD, sin embargo, el incremento de N favoreció la proliferación de raíces de veza en la asociación en capas profundas del suelo, con un ratio cebada/veza situado entre 25 a N0 y 5 a N2. La absorción de N de la cebada se incrementó en la asociación a expensas de la veza (de ~100 a 200 mg planta-1). Las raíces de cebada en la asociación absorbieron también más nitrógeno marcado de las capas profundas del suelo (0.6 mg 15N planta-1) que en el monocultivo (0.3 mg 15N planta-1). ABSTRACT Cover crop characterization may allow comparing the suitability of different species to provide ecological services such as erosion control, nutrient recycling or fodder production. Different techniques to characterize plant canopy were studied under field conditions in order to establish a methodology for measuring and comparing cover crops canopies. A field trial was established in Madrid (central Spain) to determine the relationship between leaf area index (LAI) and ground cover (GC) in a grass, a legume and a crucifer crop. Twelve plots were sown with either barley (Hordeum vulgare L.), vetch (Vicia sativa L.), or rape (Brassica napus L.). On 10 sampling dates the LAI (both direct and LAI-2000 estimations), fraction intercepted of photosynthetically active radiation (FIPAR) and GC were measured. A two-year field experiment (October-April) was established in the same location to evaluate different species (Hordeum vulgare L., Secale cereale L., x Triticosecale Whim, Sinapis alba L., Vicia sativa L.) and cultivars (20) according to their suitability to be used as cover crops. GC was monitored through digital image analysis with 21 and 22 samples, and biomass measured 8 and 10 times, respectively for each season. A Gompertz model characterized ground cover until the decay observed after frosts, while biomass was fitted to Gompertz, logistic and linear-exponential equations. At the end of the experiment C, N, and fiber (neutral detergent, acid and lignin) contents, and the N fixed by the legumes were determined. Multicriteria decision analysis (MCDA) was applied in order to rank the species and cultivars according to their suitability to perform as cover crops in four different modalities: cover crop, catch crop, green manure and fodder. Intercropping legumes and non-legumes may affect the root growth and N uptake of both components in the mixture. The knowledge of how specific root systems affect the growth of the individual species is useful for understanding the interactions in intercrops as well as for planning cover cropping strategies. In a third trial rhizotron studies were combined with root extraction and species identification by microscopy and with studies of growth, N uptake and 15N uptake from deeper soil layers. The root interactions of root growth and N foraging were studied for two of the best ranked cultivars in the previous study: a barley (Hordeum vulgare L. cv. Hispanic) and a vetch (Vicia sativa L. cv. Aitana). N was added at 0 (N0), 50 (N1) and 150 (N2) kg N ha-1. As a result, linear and quadratic models fitted to the relationship between the GC and LAI for all of the crops, but they reached a plateau in the grass when the LAI > 4. Before reaching full cover, the slope of the linear relationship between both variables was within the range of 0.025 to 0.030. The LAI-2000 readings were linearly correlated with the LAI but they tended to overestimation. Corrections based on the clumping effect reduced the root mean square error of the estimated LAI from the LAI-2000 readings from 1.2 to less than 0.50 for the crucifer and the legume, but were not effective for barley. This determined that in the following studies only the GC and biomass were measured. In the second experiment, the grasses reached the highest ground cover (83- 99%) and biomass (1226-1928 g/m2) at the end of the experiment. The grasses had the highest C/N ratio (27-39) and dietary fiber (53-60%) and the lowest residue quality (~68%). The mustard presented high GC, biomass and N uptake in the warmer year with similarity to grasses, but low fodder capability in both years. The vetch presented the lowest N uptake (2.4-0.7 g N/m2) due to N fixation (9.8-1.6 g N/m2) and low biomass accumulation. The thermal time until reaching 30% ground cover was a good indicator of early coverage species. Variable quantification allowed finding variability among the species and provided information for further decisions involving cover crops selection and management. Aggregation of these variables through utility functions allowed ranking species and cultivars for each usage. Grasses were the most suitable for the cover crop, catch crop and fodder uses, while the vetches were the best as green manures. The mustard attained high ranks as cover and catch crop the first season, but the second decayed due to low performance in cold winters. Hispanic was the most suitable barley cultivar as cover and catch crop, and Albacete as fodder. The triticale Titania attained the highest rank as cover and catch crop and fodder. Vetches Aitana and BGE014897 showed good aptitudes as green manures and catch crops. MCDA allowed comparison among species and cultivars and might provide relevant information for cover crops selection and management. In the rhizotron study the intercrop and the barley attained slightly higher root intensity (RI) and root depth (RD) than the vetch, with values around 150 crosses m-1 and 1.4 m respectively, compared to 50 crosses m-1 and 0.9 m for the vetch. At deep soil layers, intercropping showed slightly larger RI values compared to the sole cropped barley. The barley and the intercropping had larger root length density (RLD) values (200-600 m m-3) than the vetch (25-130) at 0.8-1.2 m depth. The topsoil N supply did not show a clear effect on the RI, RD or RLD; however increasing topsoil N favored the proliferation of vetch roots in the intercropping at deep soil layers, with the barley/vetch root ratio ranging from 25 at N0 to 5 at N2. The N uptake of the barley was enhanced in the intercropping at the expense of the vetch (from ~100 mg plant-1 to 200). The intercropped barley roots took up more labeled nitrogen (0.6 mg 15N plant-1) than the sole-cropped barley roots (0.3 mg 15N plant-1) from deep layers.

Generación de modelos físicos personalizados y segmentación de la pared arterial y el trombo intraluminal en imágenes de aneurismas aórticos abdominales

Esta tesis doctoral está encuadrada dentro del marco general de la ingeniería biomédica aplicada al tratamiento de las enfermedades cardiovasculares, enfermedades que provocan alrededor de 1.9 millones (40%) de muertes al año en la Unión Europea. En este contexto surge el proyecto europeo SCATh-Smart Catheterization, cuyo objetivo principal es mejorar los procedimientos de cateterismo aórtico introduciendo nuevas tecnologías de planificación y navegación quirúrgica y minimizando el uso de fluoroscopía. En particular, esta tesis aborda el modelado y diagnóstico de aneurismas aórticos abdominales (AAA) y del trombo intraluminal (TIL), allí donde esté presente, así como la segmentación de estas estructuras en imágenes preoperatorias de RM. Los modelos físicos específicos del paciente, construidos a partir de imágenes médicas preoperatorias, tienen múltiples usos, que van desde la evaluación preoperatoria de estructuras anatómicas a la planificación quirúrgica para el guiado de catéteres. En el diagnóstico y tratamiento de AAA, los modelos físicos son útiles a la hora de evaluar diversas variables biomecánicas y fisiológicas de las estructuras vasculares. Existen múltiples técnicas que requieren de la generación de modelos físicos que representen la anatomía vascular. Una de las principales aplicaciones de los modelos físicos es el análisis de elementos finitos (FE). Las simulaciones de FE para AAA pueden ser específicas para el paciente y permiten modelar estados de estrés complejos, incluyendo los efectos provocados por el TIL. La aplicación de métodos numéricos de análisis tiene como requisito previo la generación de una malla computacional que representa la geometría de interés mediante un conjunto de elementos poliédricos, siendo los hexaédricos los que presentan mejores resultados. En las estructuras vasculares, generar mallas hexaédricas es un proceso especialmente exigente debido a la compleja anatomía 3D ramificada. La mayoría de los AAA se encuentran situados en la bifurcación de la arteria aorta en las arterias iliacas y es necesario modelar de manera fiel dicha bifurcación. En el caso de que la sangre se estanque en el aneurisma provocando un TIL, éste forma una estructura adyacente a la pared aórtica. De este modo, el contorno externo del TIL es el mismo que el contorno interno de la pared, por lo que las mallas resultantes deben reflejar esta particularidad, lo que se denomina como "mallas conformadas". El fin último de este trabajo es modelar las estructuras vasculares de modo que proporcionen nuevas herramientas para un mejor diagnóstico clínico, facilitando medidas de riesgo de rotura de la arteria, presión sistólica o diastólica, etc. Por tanto, el primer objetivo de esta tesis es diseñar un método novedoso y robusto para generar mallas hexaédricas tanto de la pared aórtica como del trombo. Para la identificación de estas estructuras se utilizan imágenes de resonancia magnética (RM). Deben mantenerse sus propiedades de adyacencia utilizando elementos de alta calidad, prestando especial atención al modelado de la bifurcación y a que sean adecuadas para el análisis de FE. El método tiene en cuenta la evolución de la línea central del vaso en el espacio tridimensional y genera la malla directamente a partir de las imágenes segmentadas, sin necesidad de reconstruir superficies triangulares. Con el fin de reducir la intervención del usuario en el proceso de generación de las mallas, es también objetivo de esta tesis desarrollar un método de segmentación semiautomática de las distintas estructuras de interés. Las principales contribuciones de esta tesis doctoral son: 1. El diseño, implementación y evaluación de un algoritmo de generación de mallas hexaédricas conformadas de la pared y el TIL a partir de los contornos segmentados en imágenes de RM. Se ha llevado a cabo una evaluación de calidad que determine su aplicabilidad a métodos de FE. Los resultados demuestran que el algoritmo desarrollado genera mallas conformadas de alta calidad incluso en la región de la bifurcación, que son adecuadas para su uso en métodos de análisis de FE. 2. El diseño, implementación y evaluación de un método de segmentación automático de las estructuras de interés. La luz arterial se segmenta de manera semiautomática utilizando un software disponible a partir de imágenes de RM con contraste. Los resultados de este proceso sirven de inicialización para la segmentación automática de las caras interna y externa de la pared aórtica utilizando métodos basado en modelos de textura y forma a partir de imágenes de RM sin contraste. Los resultados demuestran que el algoritmo desarrollado proporciona segmentaciones fieles de las distintas estructuras de interés. En conclusión, el trabajo realizado en esta tesis doctoral corrobora las hipótesis de investigación postuladas, y pretende servir como aportación para futuros avances en la generación de modelos físicos de geometrías biológicas. ABSTRACT The frame of this PhD Thesis is the biomedical engineering applied to the treatment of cardiovascular diseases, which cause around 1.9 million deaths per year in the European Union and suppose about 40% of deaths per year. In this context appears the European project SCATh-Smart Catheterization. The main objective of this project is creating a platform which improves the navigation of catheters in aortic catheterization minimizing the use of fluoroscopy. In the framework of this project, the specific field of this PhD Thesis is the diagnosis and modeling of abdominal aortic aneurysm (AAAs) and the intraluminal thrombus (ILT) whenever it is present. Patient-specific physical models built from preoperative imaging are becoming increasingly important in the area of minimally invasive surgery. These models can be employed for different purposes, such as the preoperatory evaluation of anatomic structures or the surgical planning for catheter guidance. In the specific case of AAA diagnosis and treatment, physical models are especially useful for evaluating pressures over vascular structures. There are multiple techniques that require the generation of physical models which represent the target anatomy. Finite element (FE) analysis is one the principal applications for physical models. FE simulations for AAA may be patient-specific and allow modeling biomechanical and physiological variables including those produced by ILT, and also the segmentation of those anatomical structures in preoperative MR images. Applying numeric methods requires the generation of a proper computational mesh. These meshes represent the patient anatomy using a set of polyhedral elements, with hexahedral elements providing better results. In the specific case of vascular structures, generating hexahedral meshes is a challenging task due to the complex 3D branching anatomy. Each patient’s aneurysm is unique, characterized by its location and shape, and must be accurately represented for subsequent analyses to be meaningful. Most AAAs are located in the region where the aorta bifurcates into the iliac arteries and it is necessary to model this bifurcation precisely and reliably. If blood stagnates in the aneurysm and forms an ILT, it exists as a conforming structure with the aortic wall, i.e. the ILT’s outer contour is the same as the wall’s inner contour. Therefore, resulting meshes must also be conforming. The main objective of this PhD Thesis is designing a novel and robust method for generating conforming hexahedral meshes for the aortic wall and the thrombus. These meshes are built using largely high-quality elements, especially at the bifurcation, that are suitable for FE analysis of tissue stresses. The method accounts for the evolution of the vessel’s centerline which may develop outside a single plane, and generates the mesh directly from segmented images without the requirement to reconstruct triangular surfaces. In order to reduce the user intervention in the mesh generation process is also a goal of this PhD. Thesis to develop a semiautomatic segmentation method for the structures of interest. The segmentation is performed from magnetic resonance image (MRI) sequences that have tuned to provide high contrast for the arterial tissue against the surrounding soft tissue, so that we determine the required information reliably. The main contributions of this PhD Thesis are: 1. The design, implementation and evaluation of an algorithm for generating hexahedral conforming meshes of the arterial wall and the ILT from the segmented contours. A quality inspection has been applied to the meshes in order to determine their suitability for FE methods. Results show that the developed algorithm generates high quality conforming hexahedral meshes even at the bifurcation region. Thus, these meshes are suitable for FE analysis. 2. The design, implementation and evaluation of a semiautomatic segmentation method for the structures of interest. The lumen is segmented in a semiautomatic way from contrast filled MRI using an available software. The results obtained from this process are used to initialize the automatic segmentation of the internal and external faces of the aortic wall. These segmentations are performed by methods based on texture and shape models from MRI with no contrast. The results show that the algorithm provides faithful segmentations of the structures of interest requiring minimal user intervention. In conclusion, the work undertaken in this PhD. Thesis verifies the investigation hypotheses. It intends to serve as basis for future physical model generation of proper biological anatomies used by numerical methods.

Diseño e implementación de un módulo para la anotación de imágenes médicas

Desde hace tiempo ha habido mucho interés en la automatización de todo tipo de tareas en las que la intervención humana es esencial para que sean completadas con éxito. Esto es de especial interés si además se ciertas tareas que pueden ser perfectamente reproducibles y, o bien requieren mucha formación, o bien consumen mucho tiempo. Este proyecto está dirigido a la búsqueda de métodos para automatizar la anotación de imágenes médicas. En concreto, se centra en el apartado de delimitación de las regiones de interés (ROIs) en imágenes de tipo PET siendo éstas usadas con frecuencia junto con las imágenes de tipo CT en el campo de oncología para delinear volúmenes afectados por cáncer. Se pretende con esto ayudar a los hospitales a organizar y estructurar las imágenes de sus pacientes y relacionarlas con las notas clínicas. Esto es lo que llamaremos el proceso de anotación de imágenes y la integración con la anotación de notas clínicas respectivamente. En este documento nos vamos a centrar en describir cuáles eran los objetivos iniciales, los pasos dados para su consecución y las dificultades encontradas durante el proceso. De todas las técnicas existentes en la literatura, se han elegido 4 técnicas de segmentación, 2 de ellas probadas en pacientes reales y las otras 2 probadas solo en phantoms según la literatura. En nuestro caso, las pruebas, se han realizado en imágenes PET de 6 pacientes reales diagnosticados de cáncer. Los resultados han sido analizados y presentados. ---ABSTRACT---For a long period of time, there has been an increasing interest in automation of tasks where human intervention is needed in order to succeed. This interest is even greater if those tasks must be solved by qualifed specialists in the area and the task is reproducible or if the task is too time consuming. The main objective of this project is to find methods which can help to automate medical image annotation processes. In our specific case, we are willing to delineate regions of interest (ROIs) in PET images which are frequently used simultaneaously ith CT images in oncology to determine those volumes that are afected by cancer. With this process we want to help hospitals organize and have from their patient studies and to relate these images to the corpus annotations. We may call this the image annotation process and the integration with the corpus annotation respectively. In this document we are going to concentrate in the description of the initial objectives, the steps we had to go through and the di�culties we had to face during this process. From all existing techniques in the literature, 4 segmentation techniques have been chosen, 2 of them were tested in real patients and the other 2 were tested using phantoms according to the literature. In our case, the tests have been done using PET images from 6 real patients diagnosed with cancer. The results have been analyzed and presented.

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.

Diseño e implementación de un módulo para la anotación de imágenes médicas

Se comenzó el trabajo recabando información sobre los distintos enfoques que se le había dado a la anotación a lo largo del tiempo, desde anotación de imágenes a mano, pasando por anotación de imágenes utilizando características de bajo nivel, como color y textura, hasta la anotación automática. Tras entrar en materia, se procedió a estudiar artículos relativos a los diferentes algoritmos utilizados para la anotación automática de imágenes. Dado que la anotación automática es un campo bastante abierto, hay un gran numero de enfoques. Teniendo las características de las imágenes en particular en las que se iba a centrar el proyecto, se fueron descartando los poco idoneos, bien por un coste computacional elevado, o porque estaba centrado en un tipo diferente de imágenes, entre otras cosas. Finalmente, se encontró un algoritmo basado en formas (Active Shape Model) que se consideró que podría funcionar adecuadamente. Básicamente, los diferentes objetos de la imagen son identicados a partir de un contorno base generado a partir de imágenes de muestra, siendo modicado automáticamente para cubrir la zona deseada. Dado que las imágenes usadas son todas muy similares en composición, se cree que puede funcionar bien. Se partió de una implementación del algoritmo programada en MATLAB. Para empezar, se obtuvieron una serie de radiografías del tórax ya anotadas. Las imágenes contenían datos de contorno para ambos pulmones, las dos clavículas y el corazón. El primer paso fue la creación de una serie de scripts en MATLAB que permitieran: - Leer y transformar las imágenes recibidas en RAW, para adaptarlas al tamaño y la posición de los contornos anotados - Leer los archivos de texto con los datos de los puntos del contorno y transformarlos en variables de MATLAB - Unir la imagen transformada con los puntos y guardarla en un formato que la implementación del algoritmo entendiera. Tras conseguir los ficheros necesarios, se procedió a crear un modelo para cada órgano utilizando para el entrenamiento una pequeña parte de las imágenes. El modelo obtenido se probó con varias imágenes de las restantes. Sin embargo, se encontro bastante variación dependiendo de la imagen utilizada y el órgano detectado. ---ABSTRACT---The project was started by procuring information about the diferent approaches to image annotation over time, from manual image anotation to automatic annotation. The next step was to study several articles about the diferent algorithms used for automatic image annotation. Given that automatic annotation is an open field, there is a great number of approaches. Taking into account the features of the images that would be used, the less suitable algorithms were rejected. Eventually, a shape-based algorithm (Active Shape Model) was found. Basically, the diferent objects in the image are identified from a base contour, which is generated from training images. Then this contour is automatically modified to cover the desired area. Given that all the images that would be used are similar in object placement, the algorithm would probably work nicely. The work started from a MATLAB implementation of the algorithm. To begin with, a set of chest radiographs already annotated were obtained. These images came with contour data for both lungs, both clavicles and the heart. The first step was the creation of a series of MATLAB scripts to join the RAW images with the annotation data and transform them into a format that the algorithm could read. After obtaining the necessary files, a model for each organ was created using part of the images for training. The trained model was tested on several of the reimaining images. However, there was much variation in the results from one image to another. Generally, lungs were detected pretty accurately, whereas clavicles and the heart gave more problems. To improve the method, a new model was trained using half of the available images. With this model, a significant inprovement of the results can be seen.

Generación de una librería RVC – CAL para la etapa de determinación de endmembers en el proceso de análisis de imágenes hiperespectrales

El análisis de imágenes hiperespectrales permite obtener información con una gran resolución espectral: cientos de bandas repartidas desde el espectro infrarrojo hasta el ultravioleta. El uso de dichas imágenes está teniendo un gran impacto en el campo de la medicina y, en concreto, destaca su utilización en la detección de distintos tipos de cáncer. Dentro de este campo, uno de los principales problemas que existen actualmente es el análisis de dichas imágenes en tiempo real ya que, debido al gran volumen de datos que componen estas imágenes, la capacidad de cómputo requerida es muy elevada. Una de las principales líneas de investigación acerca de la reducción de dicho tiempo de procesado se basa en la idea de repartir su análisis en diversos núcleos trabajando en paralelo. En relación a esta línea de investigación, en el presente trabajo se desarrolla una librería para el lenguaje RVC – CAL – lenguaje que está especialmente pensado para aplicaciones multimedia y que permite realizar la paralelización de una manera intuitiva – donde se recogen las funciones necesarias para implementar dos de las cuatro fases propias del procesado espectral: reducción dimensional y extracción de endmembers. Cabe mencionar que este trabajo se complementa con el realizado por Raquel Lazcano en su Proyecto Fin de Grado, donde se desarrollan las funciones necesarias para completar las otras dos fases necesarias en la cadena de desmezclado. En concreto, este trabajo se encuentra dividido en varias partes. La primera de ellas expone razonadamente los motivos que han llevado a comenzar este Proyecto Fin de Grado y los objetivos que se pretenden conseguir con él. Tras esto, se hace un amplio estudio del estado del arte actual y, en él, se explican tanto las imágenes hiperespectrales como los medios y las plataformas que servirán para realizar la división en núcleos y detectar las distintas problemáticas con las que nos podamos encontrar al realizar dicha división. Una vez expuesta la base teórica, nos centraremos en la explicación del método seguido para componer la cadena de desmezclado y generar la librería; un punto importante en este apartado es la utilización de librerías especializadas en operaciones matriciales complejas, implementadas en C++. Tras explicar el método utilizado, se exponen los resultados obtenidos primero por etapas y, posteriormente, con la cadena de procesado completa, implementada en uno o varios núcleos. Por último, se aportan una serie de conclusiones obtenidas tras analizar los distintos algoritmos en cuanto a bondad de resultados, tiempos de procesado y consumo de recursos y se proponen una serie de posibles líneas de actuación futuras relacionadas con dichos resultados. ABSTRACT. Hyperspectral imaging allows us to collect high resolution spectral information: hundred of bands covering from infrared to ultraviolet spectrum. These images have had strong repercussions in the medical field; in particular, we must highlight its use in cancer detection. In this field, the main problem we have to deal with is the real time analysis, because these images have a great data volume and they require a high computational power. One of the main research lines that deals with this problem is related with the analysis of these images using several cores working at the same time. According to this investigation line, this document describes the development of a RVC – CAL library – this language has been widely used for working with multimedia applications and allows an optimized system parallelization –, which joins all the functions needed to implement two of the four stages of the hyperspectral imaging processing chain: dimensionality reduction and endmember extraction. This research is complemented with the research conducted by Raquel Lazcano in her Diploma Project, where she studies the other two stages of the processing chain. The document is divided in several chapters. The first of them introduces the motivation of the Diploma Project and the main objectives to achieve. After that, we study the state of the art of some technologies related with this work, like hyperspectral images and the software and hardware that we will use to parallelize the system and to analyze its performance. Once we have exposed the theoretical bases, we will explain the followed methodology to compose the processing chain and to generate the library; one of the most important issues in this chapter is the use of some C++ libraries specialized in complex matrix operations. At this point, we will expose the results obtained in the individual stage analysis and then, the results of the full processing chain implemented in one or several cores. Finally, we will extract some conclusions related with algorithm behavior, time processing and system performance. In the same way, we propose some future research lines according to the results obtained in this document

Generación de una librería RVC - CAL para la etapa de estimación de abundancias en el proceso de análisis de imágenes hiperespectrales

Las imágenes hiperespectrales permiten extraer información con una gran resolución espectral, que se suele extender desde el espectro ultravioleta hasta el infrarrojo. Aunque esta tecnología fue aplicada inicialmente a la observación de la superficie terrestre, esta característica ha hecho que, en los últimos años, la aplicación de estas imágenes se haya expandido a otros campos, como la medicina y, en concreto, la detección del cáncer. Sin embargo, este nuevo ámbito de aplicación ha generado nuevas necesidades, como la del procesado de las imágenes en tiempo real. Debido, precisamente, a la gran resolución espectral, estas imágenes requieren una elevada capacidad computacional para ser procesadas, lo que imposibilita la consecución de este objetivo con las técnicas tradicionales de procesado. En este sentido, una de las principales líneas de investigación persigue el objetivo del tiempo real mediante la paralelización del procesamiento, dividiendo esta carga computacional en varios núcleos que trabajen simultáneamente. A este respecto, en el presente documento se describe el desarrollo de una librería de procesado hiperespectral para el lenguaje RVC - CAL, que está específicamente pensado para el desarrollo de aplicaciones multimedia y proporciona las herramientas necesarias para paralelizar las aplicaciones. En concreto, en este Proyecto Fin de Grado se han desarrollado las funciones necesarias para implementar dos de las cuatro fases de la cadena de análisis de una imagen hiperespectral - en concreto, las fases de estimación del número de endmembers y de la estimación de la distribución de los mismos en la imagen -; conviene destacar que este trabajo se complementa con el realizado por Daniel Madroñal en su Proyecto Fin de Grado, donde desarrolla las funciones necesarias para completar las otras dos fases de la cadena. El presente documento sigue la estructura clásica de un trabajo de investigación, exponiendo, en primer lugar, las motivaciones que han cimentado este Proyecto Fin de Grado y los objetivos que se esperan alcanzar con él. A continuación, se realiza un amplio análisis del estado del arte de las tecnologías necesarias para su desarrollo, explicando, por un lado, las imágenes hiperespectrales y, por otro, todos los recursos hardware y software necesarios para la implementación de la librería. De esta forma, se proporcionarán todos los conceptos técnicos necesarios para el correcto seguimiento de este documento. Tras ello, se detallará la metodología seguida para la generación de la mencionada librería, así como el proceso de implementación de una cadena completa de procesado de imágenes hiperespectrales que permita la evaluación tanto de la bondad de la librería como del tiempo necesario para analizar una imagen hiperespectral completa. Una vez expuesta la metodología utilizada, se analizarán en detalle los resultados obtenidos en las pruebas realizadas; en primer lugar, se explicarán los resultados individuales extraídos del análisis de las dos etapas implementadas y, posteriormente, se discutirán los arrojados por el análisis de la ejecución de la cadena completa, tanto en uno como en varios núcleos. Por último, como resultado de este estudio se extraen una serie de conclusiones, que engloban aspectos como bondad de resultados, tiempos de ejecución y consumo de recursos; asimismo, se proponen una serie de líneas futuras de actuación con las que se podría continuar y complementar la investigación desarrollada en este documento. ABSTRACT. Hyperspectral imaging collects information from across the electromagnetic spectrum, covering a wide range of wavelengths. Although this technology was initially developed for remote sensing and earth observation, its multiple advantages - such as high spectral resolution - led to its application in other fields, as cancer detection. However, this new field has shown specific requirements; for example, it needs to accomplish strong time specifications, since all the potential applications - like surgical guidance or in vivo tumor detection - imply real-time requisites. Achieving this time requirements is a great challenge, as hyperspectral images generate extremely high volumes of data to process. For that reason, some new research lines are studying new processing techniques, and the most relevant ones are related to system parallelization: in order to reduce the computational load, this solution executes image analysis in several processors simultaneously; in that way, this computational load is divided among the different cores, and real-time specifications can be accomplished. This document describes the construction of a new hyperspectral processing library for RVC - CAL language, which is specifically designed for multimedia applications and allows multithreading compilation and system parallelization. This Diploma Project develops the required library functions to implement two of the four stages of the hyperspectral imaging processing chain - endmember and abundance estimations -. The two other stages - dimensionality reduction and endmember extraction - are studied in the Diploma Project of Daniel Madroñal, which complements the research work described in this document. The document follows the classical structure of a research work. Firstly, it introduces the motivations that have inspired this Diploma Project and the main objectives to achieve. After that, it thoroughly studies the state of the art of the technologies related to the development of the library. The state of the art contains all the concepts needed to understand the contents of this research work, like the definition and applications of hyperspectral imaging and the typical processing chain. Thirdly, it explains the methodology of the library implementation, as well as the construction of a complete processing chain in RVC - CAL applying the mentioned library. This chain will test both the correct behavior of the library and the time requirements for the complete analysis of one hyperspectral image, either executing the chain in one processor or in several ones. Afterwards, the collected results will be carefully analyzed: first of all, individual results -from endmember and abundance estimations stages - will be discussed and, after that, complete results will be studied; this results will be obtained from the complete processing chain, so they will analyze the effects of multithreading and system parallelization on the mentioned processing chain. Finally, as a result of this discussion, some conclusions will be gathered regarding some relevant aspects, such as algorithm behavior, execution times and processing performance. Likewise, this document will conclude with the proposal of some future research lines that could continue the research work described in this document.

Modelización de una central térmica supercrítica de 700 MW con captura de CO₂

El objetivo de este proyecto es realizar la simulación de una central térmica supercrítica de 700 MW con captura de CO₂ para producir electricidad y verterla a la red. El proyecto describe los equipos e instalaciones de la central y define los balances técnicos de la misma, probando que es viable técnicamente la incorporación de una planta de captura de CO₂ a una central térmica, a pesar del bajo rendimiento de la central. Además incluye el estudio económico que indica la viabilidad económica del proyecto, aunque con una rentabilidad baja. Este proyecto mira hacia el futuro debido a la necesidad de reducir las emisiones contaminantes, ya de casi la misma importancia que generar electricidad, y demuestra que es posible generar una energía limpia en centrales de carbón. ABSTRACT The purpose of this project is to carry out the simulation of a 700 MW supercritical coal thermal power plant with CO₂ capture to produce electricity and send it to the grid. The project describes the equipment, the installations and defines technical balances of the power plant. It shows that a CO₂ capture plant in a coal power plant is technically possible, in spite of the low power plant efficiency. In addition, it includes the economic analysis that shows the economic viability of the project, with a low profitability. This project looks into the future due to the need of reducing the pollutant emissions, which are almost as important as the generation of electricity, and demonstrates that a green energy in coal power plants is possible.

Tratamiento de imágenes de mineral acarreado post-voladura. Análisis de curvas granulométricas y comparativa mediante sistemasplit on-line y Split desktop: automático y manual

En este proyecto se han analizado distintas imágenes de fragmentos de rocas de distintas granulometrías correspondientes a una serie de voladuras de una misma cantera. Cada una de las voladuras se componen de 20 imágenes. A posteriori utilizando el programa Split Desktop en su versión 3.1, se delimitaron los fragmentos de roca de los que está compuesta la imagen, obteniéndose posteriormente la curva granulométrica correspondiente a dicha imagen. Una vez se calculan las curvas granulométricas correspondientes a cada imagen, se calcula la curva media de todas ellas, pudiéndose considerar por tanto la curva media de cada voladura. Se han utilizado las distintas soluciones del software, manual, online y automático, para realizar los análisis de dichas imágenes y a posteriori comparar sus resultados. Dichos resultados se muestran a través de una serie de gráficos y tablas que se explican con detalle para la comprensión del estudio. De dichos resultados es posible afirmar que, el tratamiento de imágenes realizado de manera online y automático por Split, desemboca en el mismo resultado, al no haber una diferencia estadística significativa. Por el contrario, el sistema manual es diferente de los otros dos, no pudiéndose afirmar cual es mejor de los dos. El manual depende del operario que trabaje las imágenes y el online de los ajustes realizados y por tanto, ambos tienen ciertas incertidumbres difíciles de solucionar. Abstract In this project, different images of rock fragments of different grain sizes corresponding to a series of blasts from the same quarry have been analyzed. To study each blast, 20 images has been used and studied with the software Split Desktop 3.1. Rock fragments from each image has been delimitated with the software, obtaining a grading curve of each one. Once these curves are calculated, the mean curve of these data set is obtained and can be considered the mean curve of each blast. Different software solutions as manual, online and automatic, has been used for the analysis of these images. Then the results has been compared between them. These results are shown through a series of graphs and tables, that are explained in detail, to enhance the understanding of the study. From these results, it can be said that the image processing with online and automatic options from Split, leads to the same result, after an statistical study. On the contrary, the manual Split mode is different from the others; however is not possible to assert what will be the best. The manual Split mode depends on the operator ability and dedication, although the online mode depends on the software settings, so therefore, both have some uncertainties that are difficult to solve.

Evaluación del funcionamiento de sistemas de análisis digital de imágenes - wipfrag (edición manual) y split online

En minería, la estimación de la curva granulométrica del escombro de voladura es importante para evaluar el diseño, ejecución y optimización de la misma. Para ello, actualmente se usan sistemas digitales de fotografías que obtienen dicha curva a partir de imágenes tomadas por una cámara. En este proyecto se ha analizado la fragmentación de seis voladuras realizadas en el año 2012 en la cantera “El Aljibe” situada en el término municipal de Almonacid de Toledo con un sistema automático en línea (Split Online) y con un software de otra compañía (WipFrag) que permite la edición manual de las imágenes. Han sido analizadas 120 imágenes de seis voladuras, elegidas aleatoriamente. Tras el estudio granulométrico, se observa que las curvas granulométricas obtenidas con ambos sistemas, estadísticamente, no son la misma en la mayor parte de la curva, por tanto, se analiza una posible relación entre los tamaños característicos X50 y X80, llegando a la conclusión de que ninguno de los sistemas es totalmente fiable, y es necesario calibrar los sistemas con datos de fragmentación reales obtenidos por medio de básculas. Abstract In mining, the estimate of the granulometric curve blasting debris is very important to evaluate the design, implementation and optimization of it. Currently, for the obtaining of this curves are used digital system of pictures taken by a camera. In this project, the fragmentation of six rock blasting were analyzed. The rock blastings are executed in 2012 in the quarry “El Aljibe” located in Almonacid de Toledo, with a automatic online system (Split Online) and a manual editing software (WipFrag). 120 randomly selected pictures have been analyzed. After the granulometric study, it appears that the size distribution curves obtained with both systems, statistically, are not the same, then, a possible relationship between the feature sizes X50 and X80 is analyzed, concluding that none of the systems is fully reliable, and systems must be calibrated with real data fragmentation obtained from data scales.