practica erdas-viewfinder 2014

Visualizacin y Exploracin de Datos Satelitales Mediante el Uso de Erdas ViewFinder 2.1

Ciudad Capital de Santiago del Estero: Imagen TM LANDSAT 5 - Composicin en falso color 543 RVA Fecha:

21.02.2011

Dr. Hugo Ral Zerda

* Parcialmente traducido y adaptado del texto de ayuda de ViewFinder. ViewFinder es un software de distribucin libre y propiedad registrada de LEICA, y puede ser obtenido gratuitamente en:

1. Introduccin

Una limitante siempre presente en diversos centros de enseanza suele ser la carencia de presupuestos para programas informticos en diversas especialidades. Actividades como el anlisis de imgenes satelitales en formato digital no es una excepcin, es ms, muchas veces tales programas son demasiado costosos, toda vez que no tengan una aplicacin posterior en investigaciones concretas o para la generacin de servicios que permitan su adquisicin.

La existencia de programas de uso libre (freewares) permite en ciertos casos usos limitados, pero que con una adecuada diagramacin de tareas y explicaciones, ms el contar con datos adecuados a la prctica a desarrollar, pueden constituir un buen inicio para el anlisis de imgenes satelitales. Este es al caso del programa ERDAS ViweFinder, que se presenta aqu como software auxiliar para el anlisis exploratorio de imgenes satelitales.

Se presenta una serie de actividades que permitirn ir comprendiendo el comportamiento espectral de diversas coberturas y usos del suelo segn el intervalo espectral en el cual ha sido captada la informacin que sobre tal comportamiento es captada por los sensores satelitales.

2. Generalidades sobre ViewFinder

ERDAS ViewFinder es un software de libre distribucin, una herramienta de visualizacin de datos provista por Leica Geosystems Geospatial Imaging.

Este programa permite visualizar y realizar algunos simples anlisis de datos digitales de diversos tipos y formatos. Tambin es posible realizar algunos mejoramientos de imgenes al efecto de mejorar la diferenciacin entre diversos tipos de objetos y coberturas y usos de la tierra. Tal funcionalidad abarca tambin la composicin de imgenes segn diversos tipos de combinaciones de canales, y la superposicin de datos del tipo raster en diversas capas.

Un detalle de las funciones es el siguiente:

1. Visualizacin de imgenes en diversos formatos: IMG, TIFF (incluyendo TIFF World), GeoTIFF y los archivos comprimidos de Lizardtech Mr SID (software incluido en las ltimas versiones de ERDAS Imagine), e inclusive datos de 16 bit y punto flotante (reales).

2. Superposicin, interrogacin, medicin, y aplicacin diversos filtros digitales (smooth, sharpen), para efectuar mejoramientos de imagen, y tambin reproyectar imgenes en forma directa, con opcin de grabar todos los procesos en el mismo archivo o creando uno nuevo.

3. Desplegar movilizando, rotando y ampliando de forma continua las imgenes, a cualquier escala.

4. Reproyectar imgenes desde cualquier proyeccin a otra de diferente tipo, generando una imagen nueva en formato IMG o GeoTIFF.

5. Visualizar varias imgenes en una sola ventana de ViewFinder, tambin se pueden abrir varias ventanas a la vez (recomendable solo en casos con recursos informticos suficientes).

Figura 1. Vista de las tres ventanas para la visualizacin de imgenes de ERDAS ViewFinder.

El tamao de la ventana de ERDAS ViewFinder puede regularse arrastrando con el ratn (mouse) desde las esquinas. El programa tiene tres componentes bsicas: men, panel de conos y barra de estado. Tambin, tiene tres ventanas o vistas (View) donde se despliegan las imgenes:

Vista Principal: permite desplegar las imgenes segn una opcin por defecto (default ) en una resolucin 1:1, o sea que un pxel de la imagen (archivo) corresponde a un pxel del monitor. Mediante las herramientas de zoom (+ y -) se aumenta o disminuye el tamao de la imagen en la vista, pudiendo regularse la escala a la cual se desea realizar la observacin. Para ello escriba la escala deseada en la ventana:

, o presionando en el selector, se puede elegir una escala predeterminada (1:1.000.000, 1:250.000, entre otras). Manteniendo presionado el botn izquierdo del ratn y sujetando el marco interior de color blanco, se puede ampliar, disminuir y trasladar el rea que se observa en la vista principal.

Vista para Localizacin: es la ventana superior izquierda, controla el tamao de la imagen en la vista principal. Manteniendo presionado el botn izquierdo del ratn y sujetando el marco interior de color blanco, se puede ampliar, disminuir y trasladar el rea que se observa en la vista en detalle.

Vista en Detalle: es la ventana inferior izquierda, permite visualizar de manera ampliada la regin encerrada en la caja de la vista principal, ambas vistas estn relacionadas geogrficamente. Mediante el cambio de tamao en la vista principal (zoom +, zoom -).

Informacin sobre las coordenadas de la imagen y el tipo de proyeccin se visualizan en

el marco inferior del marco general:

Principal

Detalle

Localizacin

Cmo observar una imagen en el Visor?

Se realiza mediante la siguiente secuencia de instrucciones: Archivos: para abrir un archivo de imagen debe ingresar a seguir la secuencia File Open, con lo que podr abrir la ventana de seleccin de archivos de ViewFinder, y seleccionar all el archivo deseado.

Tambin se puede abrir una imagen utilizando la lista de archivos que abri anteriormente (history list) en el men de archivo (File), otra opcin es arrastrando el archivo desde el explorador de Windows.

3. Herramientas de ERDAS ViewFinder

El programa ERDAS ViewFinder permite realizar diversos tratamientos de imgenes, realizar mediciones de superficies, distancias y permetros, como as tambin algn tipo de anlisis de las caractersticas espectrales de los datos visualizados. A continuacin, se muestra un resmen de sus herramientas y componentes.

Abre los archivos de imgenes.

Graba las imgenes con un nuevo nombre, independientemente si se ha realizado algn tratamiento o no.

Borra contenidos de una vista.

Ordena los diversos canales espectrales de la imagen, o imgenes visualizadas respectivamente.

Despliega un cursor de consulta de informacin y permite obtener diversos atributos de la celda o pxel determinada por el cruce de lneas del cursor.

Mide distancias, superficies y permetros , tambin posiciones.

Seleciona herramientas mediante el puntero.

Amplia (zoom in) y reduce la imagen visualizada (zoom out).

Desplaza la imagen en la ventana (roam).

Ventana de escala, muestra la escala en la que se encuentra la imagen desplegada en la vista principal (main view). Puede escribirse la escala deseada y mediante la tecla ENTER ejecutar el programa interno de escalado en pantalla.

Filtro de suavizado de la imagen, produce una imagen de apariencia algo nublada, para el caso de escenas tratadas anteriormente con filtrados de bordes. Genera una nueva imagen en memoria, que puede ser grabada como una versin mejorada de la original. Tambin Puede restaurarse la imagen original.

Filtro de bordes, mejora el aspecto de la imagen generando mayor informacin al rsaltar los lmites entre coberturas y formas del relieve. Genera una nueva imagen en memoria, que puede ser grabada como una versin mejorada de la original.

Filtro para detectar bordes y lmites. Genera una nueva imagen en memoria, que puede ser grabada como una versin mejorada de la original.

Permite escalar los intervalos de las estadsticas de la imagen. Tambin puede grabarse el resultado como una nueva imagen o sobre la original.

Mejora el contraste de la imagen por ecualizacin del histograma de distribucin de los valores de grises.

Mejora el contraste utilizando dos desvos estndares de las estadsticas obtenidas del histograma de distribucin de los valores de grises.

Establece la transparencia del background de la imagen visualizada.

Permite definir el color de la caja de visualizacin un determinado color de una paleta de colores. Esta opcin es interesante porque dependiendo de la combinacin de canales utilizada, y del tipo de cobetruras que cubra la imagen utilizada, el color de la caja de visualizacin puede confundirse con elementos de la escena. La paleta de colores disponible es ms que sificiente para la mayora de los casos.

Controles de brillo y contraste

(izq. y derecha, respectivamente). El cono permite restablecer los parmetros originales de brillo y contraste.

4. Firmas Espectrales de Diversas Coberturas y Usos del Suelo

Se utilizarn imgenes satelitales SAC-C MMRS (cmara multiespectral de resolucin media (resolucin espacial 175 m x 175 m); 6 bandas espectrales del sensor TM LANDSAT 5 (menos la trmica). Tambin, se utilizar, una imagen XS SPOT de 1996 (resolucin espacial 20 m x 20 m), en sus tres bandas. Todas cubren la ciudad Capital de Santiago del Estero, y completamente o en parte, la ciudad de La Banda y otras ciudades vecinas.

Otras imgenes y bandas espectrales le sern indicadas por el instructor.

4.1. Procedimiento

4.1.1. Siga las instrucciones brindadas en la primera parte de este documento, hasta desplegar la escena ubicada en la carpeta indicada por el instructor.

4.1.2. Seleccione la herramienta para ordenar las bandas espectrales, segn sea de su preferencia observar la vegetacin y otras coberturas de la tierra en un determinado color.

4.1.3. Para realizar la combinacin de bandas elegida, el programa desplegar una ventana como la siguiente:

apoye el ratn sobre la porcin que indica los tres planos de colores (rojo, verde y azul) y apretando la tecla derecha, seleccione la opcin para realizar combinaciones de bandas (Band Combinations).

ViewFinder le brinda las diferentes posibilidades de combinar bandas espectrales mediante la siguiente ventana de dilogo:

Presionando las flechas correspondientes a Band_1, Band_2 y Band_3 podr seleccionar el plano de color del monitor (Red, Green, Blue) en el cual se desplegar la banda seleccionada de la imagen a estudiar. Tambin tiene la opcin de visualizar una composicin de solo dos bandas en dos planos de colores. Experimente con esta opcin, qu sucede si utiliza la misma banda p.ej. B3 en todos los planos de colores? cul es la razn?

4.1.4. Seleccin de diversas coberturas de la tierra

Aqu deber aplicar diversos criterios de interpretacin de imgenes: color, textura, forma, tamao, patrn, localizacin en el terreno, adems del conocimiento de la regin de estudio. Tanto para la bsqueda de las diferentes coberturas y las caractersticas del rea a analizar, consulte al instructor.

El instructor mostrar y discutir sobre las diversas coberturas y usos de la tierra comprendidas en las escenas a utilizar, a partir de ello podr seleccionarlas en las tablas donde confeccionar las composiciones color y perfiles espectrales.

Seleccione la herramienta para consultar informacin de una celda (pxel) determinada por el cruce de lneas del cursor que aparecer inmediatamente seleccionada la herramienta citada. Para una mejor visualizacin, se puede cambiar el

color del cursor, seleccionando mediante de donde podr desplegar un color de la paleta y seleccionar el ms conveniente. El programa mostrar la siguiente tabla , donde se observan los diversos atributos de una celda o pxel:

Seleccione las opciones File, en la esquina superior izquierda, esto le permitir poder leer en la tabla el valor de coordenadas de imagen (filas y columnas), otras opciones le permitirn observar coordenadas de mapa, latitud-longitud, papel (posicin en la hoja a imprimir). Observe las columnas que muestra la tabla:

Band: indica la posicin de cada banda en los planos de colores del monitor, y con ello permite determinar la combinacin que se est observando.

File Pixel: valor digital original de la celda o pixel de la imagen, determinada por el cruce de lneas del cursor.

LUT Value: valor digital de la celda en la pantalla del monitor (look-up table), son valores creados por el sistema de visualizacin para mejorar la apariencia de la imagen aprovechando las posibilidades de despliegue del monitor, son valores diferentes a los originales.

HISTOGRAM: nmero de celdas (pxels) que tienen el mismo valor de la celda analizada.

4.1.5. Composicin de imgenes color y falso color

Recuerde que uno el objetivo principal de las composiciones color es lograr la mayor diferenciacin entre coberturas, eventos o cuerpos, o diferenciar a alguno de ellos o a un conjunto determiando.

A continuacin, aplicar los conceptos tericos sobre la formacin de imgenes color y falso color, en sus diversos tipos, mediante el conjunto de datos satelitales indicados, y las herramientas de Viewfinder descriptas en los anteriores apartados. Elabore sus propias combinaciones y descrbalas adecuadamente, siguiendo las tablas de combinaciones.

Paisajes urbanos y rurales en diversas resoluciones espaciales y espectrales

SAC-C MMRS: describa el color dominante en la composicin elaborada, para cada tipo de cobertura y uso del suelo determinada.

Combinaciones de bandas

Combinacin de canales

Vegetacin Cobertura 1

(a eleccin)

Cobertura 2

(a eleccin)

Cobertura 3

(a eleccin)

543 RVA Falso color

432 RVA Falso color

321 RVA Color verdadero

*: R: rojo, V: verde, A: azul.

LANDSAT 5 TM: describa el color dominante en la composicin elaborada, para cada tipo de cobertura y uso del suelo determinada.




(a eleccin)

Cobertura 2

(a eleccin)

Cobertura 3

(a eleccin)

543 RVA Falso color

432 RVA Falso color



SPOT 2 XS: describa el color dominante en la composicin elaborada, para cada tipo de cobertura y uso del suelo determinada.




(a eleccin)

Cobertura 2

(a eleccin)

Cobertura 3

(a eleccin)

543 RVA Falso color

432 RVA Falso color



4.1.6. Perfiles espectrales e ndices de vegetacin

Los perfiles espectrales, la delineacin de los valores digitales o niveles digitales de una imagen multiespectral, permite caracterizar a un pixel perteneciente a una determinada cobertura, uso del suelo u objeto. Cuando una imagen contenga mayor cantidad de bandas espectrales, mayor ser el detalle que sobre el comportamiento espectral brindar el perfil. El siguiente ejercicio, persigue el objetivo de caracterizar el comportamiento espectral de diversas coberturas-usos-objetos, en funcin de las caractersticas de los sensores mediante los cuales se obtuvieron las imgenes a analizar, las pocas de toma de la mismas y las caractersticas locales.

La densidad de verde y actividad de las coberturas vegetales puede medirse a travs de la reflexin de la radiacin electromagntica, que abarcan desde las longitudes de onda correspondientes al visible hasta el infrarrojo cercano. La clorofila contenida en las hojas presentan una fuerte absorcin en la luz visible (0.4-07 m) utilizada en la fotosntesis. La estructura de las clulas foliares es la responsable de la fuerte reflexin en el sector infrarrojo cercano (0.7-1.1 m). Aprovechando estas caractersticas nicas de la vegetacin, se construy la siguiente expresin matemtica que permite calcular el NDVI, para los sensores que se utilizarn en esta prctica:

23

23

34

34

34

34

SPOTXSSPOTXS

SPOTXSSPOTXS

MMRSMMRS

MMRSMMRS

TMTM

TMTM

RIRc

RIRcNDVI

IRc: infrarrojo cercano, R: rojo

La siguiente figura muestra las diferencias de comportamiento espectral de la vegetacin ante la energa electromagntica incidente sobre el mismo, el balance entre las radiaciones correspondientes al rojo e infrarrojo, son esencialmente, aprovechadas para elaborar los ndices de vegetacin, en forma de cocientes, diferencias o en versiones normalizadas, como es el caso del denominado NDVI.

NDVI y el comportamiento espectral de la vegetacin ante la radiacin

electromagntica incidente (de Weier y Herring 2007).

Segn lo presentado y discutido con anterioridad con el instructor, referente a las condiciones locales de las reas cubietras por las imgenes utilizadas, especialmente lo

referente a las coberturas y usos de la tierra, seleccione lo indicado en las tablas siguientes.

Anote las lecturas que se muestran en la ventana File Pixel (niveles digitales) para cada caso y para cada canal espectral. Especialmente importante es considerar que el ndice de Vegetacin de Diferencia Normalizada (NDVI) asume valores entre -1 y 1, por ello la denominacin de normalizado. Tericamente el NDVI indica coberturas con vegetacin mediante valores positivos, y sin vegetacin, mediante valores negativos > 0 y

Clculo del NDVI para MMRS SAC-C y LANDSAT 5 TM:

NDVI = [ (B4 B3) / (B4 + B3) ]

Con: B3 = valor de brillo en la banda tres (rojo) y B4 = valor de brillo en la banda cuatro (infrarrojo)

Clculo del NDVI para SPOT XS:

NDVI = (B3- B2) / (B32 + B2)

Con: B1 = valor de brillo en la banda tres (rojo) y B2 = valor de brillo en la banda cuatro (infrarrojo)

SAC-C MMRS: comportamiento espectral de diversas coberturas y usos de la tierra. Transfiera los valores determinados de la escena satelital a una planilla de Excel.

LANDSAT 5 TM: comportamiento espectral de diversas coberturas y usos de la la tierra. Transfiera los valores determinados de la escena satelital a una planilla de Excel.

SPOT 2 XS: comportamiento espectral de diversas coberturas y usos de la tierra. Transfiera los valores determinados de la escena satelital a una planilla de Excel.

Cuestionario

Considerando el carcter numrico de las imgenes satelitales estudiadas y, respecto a las caractersticas de las firmas espectrales, sus tendencias, como tambin lo realizado en la prctica. Conteste el siguiente cuestionario, refirindose exclusivamente al los grficos de respuestas espectrales elaborados.

1. Observa diferencias entre las firmas espectrales para los diferentes tipos de vegetacin ? , entre que tipos de vegetacin? entre que sensores?

2. En referencia al ndice de vegetacin, observa alguna particularidad en los valores obtenidos correspondientes a coberturas sin vegetacin?

3. En referencia al ndice de vegetacin, observa alguna particularidad en los valores obtenidos correspondientes a coberturas con vegetacin?

4. Elija dos coberturas diferentes e indique los canales espectrales donde existe la mayor diferencia. Para todos los sensores.

5. Existe algn patrn definido para la vegetacin ? en caso positivo, puede describirlo?

6. Existe un patrn definido para el agua ? en caso positivo, puede describirlo?

7. Existe un patrn definido para el rea urbana? en caso positivo, puede describirlo?

8. Qu particulares observa en las zonas quemadas? Describa su comportamiento espectral.

9. Cul es el comportamiento espectral de las lagunas?, observa alguna aprticularidad?

Anexos. Principales caractersticas de las imgenes a utilizar en la prctica

1) SAC-C MMRS: el sensor MMRS es un barredor electrnico con capacidad de deteccin en 5 bandas del espectro electromagntico. SU resolucin espacial genera un pxel en tierra de 175 m x 175 m (originales) 350 metros x 350 metros (degradado). En esta prctica se utilizan datos con pxeles re-muestreados a 150 m x 150 m durante el proceso de correccin geomtrica, derivados del original de 175 m x 175 m.

Sus bandas espectrales fueron seleccionadas para satisfacer requerimientos de uso en tierra y aguas costeras e interiores con el objeto de apoyar desarrollos y mejoras en aplicaciones relacionadas con las reas de agricultura, medio ambiente, silvicultura, hidrologa, oceanografa, mineraloga y geologa, desertificacin, contaminacin y el monitoreo de catstrofes y proteccin del ecosistema. El sistema puede transmitir los datos en tiempo real o almacenar las imgenes y datos auxiliares en un grabador de estado slido a bordo.

Radiometra: las caractersticas de bandas espectrales de la Cmara Multiespectral de Resolucin Media MMRS (Multispectral Medium Resolution Sensor) del satlite SAC-C son las siguientes:

Banda Rango espectral (micrones) Resolucin espacial (m)

1 0.48 0.50 (azul verdoso) 175

2 0.54 0.56 (verde) 175

3 630 - 690 (rojo) 175

4 0.795 0.835 (IR cercano = NIR)

175

5 1.550 1.700 (IR medio de onda corta = SWIR)

175

Resolucin temporal: 16 das, ancho de barrido: 360 km

2) LANDSAT 5 TM: LANDSAT es el programa de teleobservacin de recursos naturales ms popular. Desde los aos 70, ofrece imgenes multiespectrales de diferentes caractersticas. Actualmente el satlite TM y el LANDSAT 5 han dejado de prestar servicio, y su gran importancia radica en la gran cantidad de imgenes existentes, fundamentales para estudios de monitoreo.


1 0.45 - 0.515 30

2 0.525 - 0.605 30

3 0.63 - 0.690 30

4 0.75 - 0.90 30

5 1.55 - 1.75 30

6 10.40 - 12.5 120

7 2.09 - 2.35 30

Resaltadas las bandas infrarojas, resolucin temporal: 16 das, ancho de barrido: 185 km.

3) SPOT 2 XS.


1 0.50 - 0.59 (verde) 20

2 0.61 - 0.68 (rojo) 20

3 0.79 0.89 (infrarrojo) 20

Resolucin temporal: variable entre 7 das a 34 das, cobertura: 60 km x 60 km..

Bibliografa citada

Weier, J. y Herring D. (2007). OE Library: Measuring Vegetation (NDVI & EVI)

Introduction. Earth Observatory NASA. En Internet, acceso 03.07.2007

http://earthobservatory.nasa.gov/Library/MeasuringVegetation/

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