Nuevas herramientas para el procesado de imágenes de satélite

Transcripción

1 Nuevas herramientas para el procesado de imágenes de satélite Desarrolladas por el Grupo de Teledetección de la FIUPM, están disponibles en software libre Madrid, 5 Mayo Investigadores del Grupo de Teledetección ( de la Facultad de Informática de la Universidad Politécnica de Madrid (FIUPM) han desarrollado diversas técnicas de fusión de imágenes de satélite que mejoran la utilidad y aplicaciones de estas imágenes en diferentes campos como datos la planificación urbanística, la gestión de recursos naturales o la agricultura de precisión. entre otros. Para facilitar el uso de estas técnicas, el Grupo de Teledetección ha partido de un software de libre distribución desarrollado en Java y dedicado al procesado de imágenes genéricas llamado ImageJ. El Grupo ha incorporado en ImageJ las extensiones necesarias para facilitar el procesado de imágenes multiespectrales, disponiéndose en la actualidad de un módulo de lectura/escritura de imágenes con formatos específicos para imágenes multibanda (útil para cualquier número de bandas espectrales). Asimismo, se ha desarrollado un módulo de utilidades genéricas, otro implementa las transformadas de imágenes más utilizadas en fusión de imágenes y otro incluye diferentes algoritmos de fusión de imágenes multiespectrales y pancromáticas. Entre estos últimos algoritmos se encuentran los desarrollados por el Grupo de Teledetección, que ya han sido publicados en revistas especializadas. (DOI: / , DOI: / , DOI: / , doi: / , doi: / ,doi : /T-LA ). Necesidad de información La solución de algunos de los problemas actuales mas acuciantes en nuestro planeta, como son: el aumento de la población, la necesidad de una agricultura intensiva no-destructiva, la seguridad en la producción y distribución de comida y energía, la gestión de suelos, el cambio climático, la salud pública y los conflictos sociales, imponen la necesidad de disponer de información inmediata, tanto a escala local como global. En la actualidad la Teledetección se ha convertido en la única tecnología que permite la adquisición de la mayor parte de está información de forma casi inmediata y para cualquier escala; ya que brinda una ingente cantidad de datos geográficos, espaciales, espectrales, etc..., de gran calidad (exactos, coherentes y veraces). Uno de los productos más utilizados en Teledetección son las imágenes proporcionadas por los sensores remotos ópticos: imágenes multiespectrales y pancromáticas. Se entiende por imagen multiespectral la registrada por un sensor que registra información en distintas bandas del espectro electromagnético. La imagen multiespectral está constituida por tantas imágenes como

2 bandas espectrales proporcione el sensor (resolución espectral) de una misma zona de la superficie terrestre. Cada una de estas imágenes proporciona a su vez información sobre la cantidad de radiación reflejada por las diferentes cubiertas presentes en dicha zona en cada una de las bandas espectrales. Otra característica de este tipo de imágenes es su resolución espacial, característica que determina el tamaño del detalle mínimo que se pueden observar en la imagen. Por otro lado las imágenes pancromáticas proporcionan este mismo tipo de información para una única banda espectral, normalmente mas ancha. En la siguiente figura se puede observar una escena extraída de una imagen multiespectral (a) y de una pancromática (b) registradas por los correspondientes sensores a bordo del satélite Quickbird. En ella se han incluido sus correspondientes resoluciones espaciales y espectrales. Resolución espacial: 2,8 m Resolución espectral: 4 bandas B1: nm B2: nm B3: nm B4: nm Resolución espacial: 0.7 m Resolución espectral: 1 banda B1: nm a) b) Figura 1: Escenas multiespectral (a) y pancromática (b) de una imagen registrada por sensores transportados a bordo del satélite Quickbird. Métodos de extracción de información Dependiendo del tipo de sensor utilizado y por tanto de las características de las imágenes registradas por ellos, el volumen de datos a manejar e interpretar puede variar significativamente, pero en cualquiera caso es muy elevado y requiere de métodos que faciliten la extracción de la información contenida en ellos de una forma objetiva y precisa. Tradicionalmente estos métodos se basan en técnicas automáticas de clasificación e interpretación que proporcionan, básicamente, información cualitativa que no siempre es fácilmente cuantificable. Otras aproximaciones que recientemente se han mostrado más eficaces a la hora de extraer información cuantitativa de las imágenes de satélite, son el uso de índices espectrales o la inversión de modelos. En cualquiera de estas aproximaciones, la precisión de los resultados proporcionado por las técnicas de Teledetección depende de una serie de factores, entre los cuales cabe destacar la tecnología de los sensores actuales (ETM+, ASTER, MERIS, MOS, SPOT, IKONOS, QUICKBIRD...) y consecuentemente de las características de las imágenes registradas por ellos (resolución espacial, espectral y temporal).

3 Actualmente, y debido a las limitaciones de la tecnología de transmisión de la información desde las plataformas espaciales, existe un compromiso entre estos tres tipos de resolución, de tal forma que aquellos sensores que proporcionan una alta resolución espacial, suelen presentar una menor resolución espectral y viceversa. Esta es la razón por la que la resolución espacial de las imágenes pancromáticas es superior a la de las imágenes multiespectrales. A modo de ejemplo, cabe mencionar que las imágenes multiespectrales procedentes de programas espaciales tales como LANDSAT, SPOT o IRS, presentan una alta resolución espectral, comparadas con las correspondientes imágenes pancromáticas, siendo su resolución espacial inferior. Técnicas de fusión de imágenes Sin embargo, existe un amplio rango de aplicaciones de la Teledetección que requieren disponer de imágenes de satélite que combinen ambas características (alta resolución espacial y espectral). Si bien es cierto que en la actualidad existen satélites como Quickbird e IKONOS, que proporcionan este tipo de imágenes, sus costes son altos y no siempre están disponibles para usuarios comunes. Una forma de disponer de imágenes de alta resolución, tanto espacial como espectral, a costes relativamente accesibles, es la utilización de técnicas de fusión de imágenes que por otro lado pueden proporcionar imágenes de muy alta resolución si son aplicadas a los datos registrados por los sensores de última generación. El objetivo de las técnicas de fusión de imágenes es integrar de una forma coherente información procedente de diferentes imágenes, de tal forma que la imagen final fusionada conserve la información más relevante de las imágenes fuentes. Banda n Banda m Banda 2 Banda 3 n > m Imagen de baja resolución espacial y alta resolución espectral (Sensor A) Fusion de Datos Imagen de alta resolución espacial y baja resolución espectral (Sensor B) Banda n Imagen de alta resolución espectral y espacial I FUS = f ( Sensor A, Sensor B ) Banda 2 Banda 3 Figura 2: Esquema de la fusión de dos imágenes multiespectrales

4 En la actualidad se dispone de un gran número de metodologías y algoritmos para la fusión de imágenes ópticas, siendo las más utilizadas las basadas en diferentes transformadas. Algunas son muy sencillas desde un punto de vista conceptual, como las metodologías basadas en la transformada de Brovey (TB), el Análisis de Componentes Principales o la transformada IHS (intensidad, brillo y saturación). Sin embargo, y como se demuestra en numerosos trabajos, estas metodologías proporcionan imágenes fusionadas cuyo color presenta considerables distorsiones respecto al color de las imágenes multiespectrales originales. Esto impide su uso en diferentes tareas habituales en el área de Teledetección, como son la clasificación de imágenes o la detección de cambios. Por otro lado, existe un elevado número de métodos basados en técnicas de análisis multirresolución, que utilizan fundamentalmente la Transformada Discreta Wavelet (TDW). En general estos métodos proporcionan una mínima distorsión del color de las imágenes fusionadas respecto de la imagen multiespectral, superior a las técnicas descritas más arriba, pero no permiten controlar el compromiso entre la calidad espacial y la espectral de las imágenes fusionadas. Técnicas del Grupo de Teledetección En este sentido el Grupo de Teledetección de la Facultad de Informática ha propuesto una versión ponderada de la fusión mediante TDW calculada con el algoritmo à trous. Este algoritmo permite la separación de la información de fondo y detalle de una imagen de una forma eficiente - Banda i j j h j h j Wcoef (j, j+1) Wcoef (j, j+1) j+1 j+1 h j+n-1 Wcoef (j+n-1, j+n) h j+n-1 Wcoef (j+n-1, j+n) j+n j+n Imagen Fusionada α i j+n Wcoef Banda (j, j+1) i Wcoef (j+n-1,,j+n) evitando el proceso de decimación propio de otros algoritmos utilizados para el calculo de la TDW Figura 3. Esquema del método de fusión ponderado mediante la TWA (à trous). La figura 3 muestra un esquema de esta estrategia de fusión. El parámetro α pondera la cantidad de detalle procedente de la imagen pancromática que se inyecta en una versión degradada de la imagen multiespectral, lo que permite el control del compromiso entre las dos características mencionadas.

5 El Grupo de Teledetección ha propuesto también otras técnicas de fusión basadas en transformadas multidirección-multiresolución (MDMR) que mejoran la calidad de las imágenes θ1 θ2 θ3 Imagen j Imagen j+1 Imagen j+2 Imagen j+3 Coef θ1 Coef θ2 Coef θ3 fusionadas respecto a las técnicas basadas en la TDW, permitiendo simultáneamente el control del compromiso entre la calidad espacial y la distorsión del color de dichas imágenes. Figura 4: Proceso de separación de la información de alta y baja frecuencia mediante una transformada multirección-multirresolución (MDMR). En la figura 4 se ha representado esquemáticamente el proceso de separación de la información de detalle (altas frecuencias espaciales) y de fondo (bajas frecuencias espaciales) mediante la transformada MDMR propuesta, para posteriormente, utilizando un criterio de fusión análogo al utilizado en el proceso de fusión mediante la TDW, integrar el detalle direccional extraído de la pancromática en la imagen multiespectral degradada, también direccionalmente Herramientas accesibles Con objeto de facilitar el uso de los algoritmos propuestos y ya publicados en revistas de reconocido prestigio internacional, el Grupo de Teledetección se ha planteado el objetivo de integrarlos en una herramienta. Para ello se ha partido de un software de libre distribución desarrollado en Java y dedicado al procesado de imágenes digitales genéricas: ImageJ ( El objetivo es incorporar en ImageJ las herramientas necesarias para el procesado de imágenes multiespectrales. Entre los módulos que ya se encuentran operativos, tal como ya se ha indicado, cabe mencionar: Módulo de lectura/escritura de imágenes con formatos específicos para imágenes multibanda (cualquier número de bandas espectrales). Módulo de utilidades genéricas. Implementación de las transformadas de imágenes más utilizadas en fusión de imágenes. Algoritmos de fusión de imágenes multiespectrales y pancromáticas. Entre estos algoritmos se encuentran los desarrollados dentro del Grupo de Teledetección de la Facultad de Informática, publicados en revistas internacionales y descritos anteriormente. El conjunto de esta extensiones desarrolladas para ImageJ, se han incluido en el paquete denominado IJFusion (