Teledetección y SIG para la elaboración de cartografía de ambientes forrajeros

en establecimientos ganaderos

Cátedra Zootecnia

Ing. Agr. Vacca, Pablo A.

pvacca@agr.unne.edu.ar

2016Universidad Nacional del

NordesteFacultad de Ciencias

Agrarias

Objetivos

Alternativas

Clasificación

Aplicación

Ganadería

Cartografía

base

Teledetección/Remote sensing (Evelyn Pruitt,1960)

Conjunto de medios que nos permiten adquirir información a distancias sobre las cosas, sin necesitar el contacto material sobre ellas. En un sentido mas restringido, involucra la detección y medición de energía electromagnética que emanan los objetos.

Ventajas de la Teledetección

1. Visión global2. Observación de información en regiones no visibles del

espectro3. Observación a distintas escalas y frecuencias de tiempo4. Homogeneidad en la adquisición

Visión Global

Los satélites permiten cumplir la intuición de Sócrates deque era necesario elevarse más allá de la atmósfera paradisponer de una visión global y comprender mejor losprocesos que se desencadenan en la Tierra.

Información en regiones no visibles del espectro

los satélites registran información tanto del espectro visiblecomo del espectro no visible. Ésta es una de las grandesventajas de la Teledetección frente a otros sistemas deobservación de la Tierra como la fotografía aérea y laobservación directa. En regiones no visibles del espectro esposible diferenciar objetos cuya respuesta espectral essimilar en el rango del visible y estimar determinadasvariables biofísicas.

Información en regiones no visibles del espectro

Observación a distintas escalas

Mosaico de imágenes captadas, entre el 21 y el 31 de marzo de 1999, por el sensor VEGETATION, a bordo del satélite francés SPOT. Se selecciona

el valor máximo de NDVI del periodo analizado.

Fuente: http://www.spot-vegetation.com/vegetationprogramme/index.htm

Imagen QuickBird de 2001, sobre el estadio de fútbol Santiago Bernabeu y sobre el distrito madrileño de Chamartín.

Fuente: www.digitalglobe.com

Observación a distintas escalas

Imagen Landsat 5TM del 27/08/2000228-079 ; 1:100.000

En función de las características de las órbitas de lossatélites, éstos tienen una capacidad de revisitar un mismoterritorio con una frecuencia temporal determinada.SPOT pasa cada 26 días por el mismo lugar y Landsat cada 16días.Los satélites meteorológicos geoestacionarios estándiseñados para tener una buena resolución temporal,proporcionando una imagen cada poco tiempo. Meteosat,GOES y GMS aportan una imagen cada media hora.

Frecuencias de tiempo/adquisición

De esta manera, es posible hacer un seguimiento

multitemporal de procesos dinámicos que ocurren muy

rápidamente sobre la Tierra, como los fenómenos

meteorológicos, o multianual de procesos que ocurren a

lo largo de años como los procesos de deforestación oel avance de la frontera agrícola o cambios fisiológicos.

Frecuencias de tiempo/adquisición

Secuencia de cuatro imágenes AVHRR sobre el Golfo de México, captadas los días 26, 27, 28 y 29 de octubre 1998, respectivamente, por los satélites NOAA 15.

OTRAS VENTAJAS

El formato digital de las imágenes facilita el tratamiento de los

datos mediante sistemas informáticos, de manera que se

agilizan las tareas:

• de interpretación la obtención de variables biofísicas

• de modelos cuantitativos y la integración de los datos

derivados con otra información temática en el entorno de losGIS, facilitando los análisis relacionados entre variables.

PrincipiosPercepción Remota

c = λ ν

Espectro Electromagnético

0,4 µm 0,7 µm

Fotones de alta energía

µm

RadiaciónIncidente

RadiaciónReflejada

Radiación Transmitida

RadiaciónAbsorbida

Elementos de la superficie terrestre

MODULOAdquisición

de datos

Procesamiento

Interpretación

Información

DatosAuxiliares

DatosOriginales

MODULOExtracción

información

Ref

lect

ivid

ad

λ

IRc

PROPIEDAD ESPECTRAL DE LAS PLANTAS

modificado principalmente por factores

IRm

a) Hoja verde sanab) Hoja con daño incipientec) Hoja amarillentad) Muerte de tejido

Fuente: Murtha, 1982

PATRONES DE REFLECTANCIA

EFECTO DE LA SENESCENCIA Y ENFERMEDADES

Comportamiento espectral de la vegetación en el espectro visible

Relacionados con la reflectividad de la hojaPresencia de pigmentos Estructura celularContenido de humedad

Características geométricas de la planta

Área foliarFormas de las hojasSu distribución en la plantaComponente leñoso

Situación geográfica de la planta

Pendiente Orientación Asociación con otras especiesReflectividad del sustratoGeometría de la plantación Condiciones atmosféricas

Fuente: Belward, 1991; Colwell, 1974

1. Cutina 2. Epidermis3. Parénquima en empalizada4. Parénquima lagunar 5. Espacios intercelulares6. Cámara subestomática7. Células estomáticas con cloroplastos 8. Estoma9. 10. 11. Vasos conductores12.Cloroplastos

Estructura de la hojaDicotiledónea

Estructura de una hoja y trayectoria de la luz

Sensores y Plataformas Los sensores instalados en los satélites de teledetecciónposeen una serie de particularidades que determinan lascaracterísticas de las imágenes que van a proporcionar.Estas características vienen definidas básicamente pordiferentes tipos de resolución:

• Resolución Espacialse refiere tamaño de la superficie

• Resolución Espectralnúmero de canales independientes

• Resolución Radiométricasensibilidad de los detectores

• Resolución Temporalfrecuencia de medición

Cual elijo para

trabajar?

La resolución espacial es unamedida de la distancia que puedecaptar un sensor remoto de lasuperficie de la Tierra, y vienerepresentada por un píxel. Un píxeles la unidad mínima que conformauna imagen digital.

Resolución Espacial

Resolución Espectral

Ancho de banda para los sensores OLI y TIRS en Landsat 8 y ETM+ en Landsat 7

Fuente: (USGS. 2013).

Hace referencia al número y ancho de bandas espectrales que puedecaptar un sensor.

Distribución de las bandas OLI y TIRS Landsat 8

Fuente: (USGS. 2013).

Resolución Radiométrica

La resolución radiométrica de los datos de teledetección sedefine como la cantidad mínima de energía requerida paraincrementar el valor de un píxel en un nivel digital (ND).

Óptica y Electrónica

Radiancia en el sensor

Nivel DigitalND

Resolución RadiométricaSensores Resolución Radiométrica ND

Landsat 8 16 bits 216 = 65.536

MODIS 12 bits 212 = 4.096

AVHRR 10 bits 210 = 1.024

Landsat TM 8 bits 28 = 256

8 bits12 bits

Resolución TemporalEs la periodicidad con la que el sensor adquiere imágenes de lamisma porción de la superficie terrestre.Muchas veces también se la denomina periodo de revisita.

Fecha 1

Fecha 2

Fecha 3

Interpretación Análisis multi-estacional

Fecha 1

Fecha 2

Interpretación

Interpretación

Análisis multi-anual

Dimensiones temporales en la interpretación de imágenes

Altas Producciones1/2 Produc. 1/2 Produc. ˂Produc.

• Cantidad

• Calidad

Distribución

Que nos brinda la imagen?

Sintetizando mucho las cosas, puede afirmarse que las imágenes satelitales nos facilitan dos tipos de variables (Jensen, 2000):

• Variables Primarias. Cuantitativas, (radiancia espectral).Variables Biofísicas - Clorofila- Contenido de agua- Evapotranspiración - humedad

• Variables Secundarias. Se derivan de las primeras mediante algún tipo de conceptualización.- Medir grado de estrés hídrico en plantas

Características de la imagenLas imágenes satelitales digitales son un conjunto de datosrasterizados, lo que significa que la imagen está comprimida ennúmeros y en pixeles que cubren la totalidad del área de la escena.

Ejemplo de obtención de firmas espectrales a clasificar, en imágenes teledetectadas, asociadas apíxeles individuales (A) o a objetos obtenidos a través de segmentaciones previas (B). Lasegmentación consiste en la agrupación de píxeles que tienen una similitud espectral, textural ocontextual a través de algoritmos matemáticos

Una definición mas precisa es decir que un SIG es unsistema que integra tecnología informática, personas einformación geográfica, y cuya principal función escapturar, analizar, almacenar, editar y representar datosgeorreferenciados.

Que es un Sistema deInformación Geográfica (SIG)?

SIGMETODOS

SOFTWARE

HARDWARE

PERSONAS

DATOS

Que elementosfundamentales comprende?

Visualización

Procesos y métodos

Campos de aplicación

Datos

Tecnología

Conceptos

Geográficos

básicos

Los datos son necesarios para la visualización, para elanálisis y para dar sentido a la tecnología y, en loreferente al factor organizativo y a las personas, el rolde estas en el sistema SIG es en gran medida gestionaresos datos y tratar de sacar de ellos el mayor provechoposible, buscando y extrayendo el valor que estospuedan tener en un determinado contexto de trabajo(Campos Ganaderos).

Un SIG maneja datos geográficos, existiendo diferencias entre estosconceptos.

Entendemos como dato al simple conjunto de valores o elementos queutilizamos para representar algo.

La información es el resultado de una interpretación un dato y eltrabajo con datos es en muchos casos un proceso enfocado a obtenerde estos toda la información posible. Un dato puede esconder masinformación que la que a primera vista puede apreciarse, y es a travésde la interpretación de los datos como se obtiene esta.

Por ejemplo, el código 502132N es un dato

Integración de datos geoespaciales

EscalaExpresa habitualmente como un denominador que relaciona una distancia medida en un mapa y la distancia que esta medida representa en la realidad.

Escala =

Distancia sobre el mapa

Distancia sobre el terreno

= 1

500.000o 1 : 500.000

0 500 Km

Clase Escala Categoría 1cm sobre el mapa

Escalas Grandes

1:2001:500

1:10001:20001:5000

1:10.000

Urbano

Rural

2m5m

10m20m50m

100m

Escalas Medianas

1:25.0001:50.000

1:100.000

Levantamiento Directo

250m500m1Km

Escalas Pequeñas

1:250.0001:500.000

1:1.000.0001:2.250.000

1:10.000.000

Regionales (Provincias)

Países

Globo terráqueo

2.5Km5km

10km25km

100km

Clasificación ERDAS IMAGINE

Es el proceso de ordenar los pixeles dentro de un numero significativode categoría de datos con base en sus valores de archivo.

Los pixeles son asignados a clases cuando sus valores caen donde secumplen determinados criterios para dichas clases.

OPCIONES DE CLASIFICACIÓN

CLASIFICACIÓN NO SUPERVISADA

ISODATA

Agrupa pixeles con respuestas espectrales similares

Los clusters espectrales son identificados usando latécnica de análisis Iterative Self-Organizing Data

CLASIFICACIÓN NO SUPERVISADADESVENTAJAS

Las clases pueden agruparse en clases no contiguas.

Es dependientes de los datos para ladefinición de las clases.

Dependiendo de las característicasde la imagen puede requerir tiempo,ya que requiere de varias iteraciones.

VENTAJASHay que definir muy pocosparámetros.

Necesita poco conocimientos de losdatos y elimina la posible parcialidadhumana

Es exitoso para encontrar los clustersespectrales inherentes a los datosCrea firmas espectrales iniciales paraanalizar y manipularlas.

ISODATA

1. Promedios sobre la diagonal.2. Cálculo de distancias mínimas: cada

pixel se asocia al promedio mas cercano.

3. Se calculan nuevos promedios para cada clusters.

4. Las iteraciones continúan hasta la convergencia o el valor máximo.

5. Cada clusters esta asociado con un valor, a cada pixel se le da ese valor.

X

X

X

X

CLUSTERS

X

X

X

X

ISODATA

5. Cada clusters esta asociado con un valor, a cada pixel se le da ese valor.

ETIQUETADO DE CLASES

Proceso de identificar las diferentes coberturas y darles nombre

ISODATA

Class Names

Clase 1Clase 2Clase 3 Clase 4 Clase 5

Labels

AguaBosquePastizalCultivoUrbano

HERRAMIENTA DE AGUPACIÓN

CLASIFICACIÓN SUPERVISADA

Colección muestras

Evolución de firmas

Uso de reglas de evaluación de la clasificación

DESVENTAJAS

Se requiere un conocimiento previo de los datos, de las clases que se desea obtener y de los métodos de clasificación.

VENTAJASEl usuario tiene el controlsobre los datos.

Flujo de trabajo de Clasificación Supervisada

Imege Alarm

Clasificación rápida de pixeles

Distribución de la firmas

Muestra posibles confusiones entre clases

Histogramas

Reglas de Decisión para la Clasificación Supervisada

Revisión pixel por pixel

La regla decide a que clase pertenece cada pixel

Las reglas disponibles:

-Parallelepiped-Feature Space

-Maximum likelihood-Mahalanobis Distance-Minimum Distance

No Paramétricas

Paramétricas

Seleccionar áreas

de entrenamiento

Editar/Evaluar firmas

(Signatures)

Clasificar Imagen

Evaluar Clasificación

Correr algoritmo

ISODATA

Editar/Evaluar firmas

(Signatures)

Clasificar imagen

Identificar Clases

Evaluar Clasificación

SUPERVISADA NO SUPERVISADA

Flujo para los procesos de Clasificación

Trabajo

Gabinete

• Selección de la imagen satelital

• Procesamiento y preparación imagen

Trabajo

Campo

• Recorrido: variabilidad de los ambientes, distintos manejos de la tierra, accesibilidad a los sitios de muestreos, ubicados espacialmente con GPS

Trabajo

Gabinete

• Etapa de elaboración de la firma o respuesta espectral de los ambientes

• Etapa de clasificación digital de la imagen

• Etapa de elaboración de mapas

ETAPAS DE TRABAJO PARA LA ESTIMACIÓN DE SUPERFICIES DE LOS DISITINOS AMBIENTES DEL ESTABLECIMIENTO GANADERO

Trabajo de Campo

Estratificación

• Uso agrícola• Distribución espacial distintos ambientes• Variable en estudio

Sup. Útil = Sup. total – sup. no útil

Sup. Ganadera = Sup. Útil – sup. Agrícola/forrajes

Ambientes Forrajeros

Accesibilidad a los potreros

Trabajo de CampoUbicación de los

ambientes

Ambiente P.B.Ambiente P.A.

Trabajo de Gabinete

Ubicar el Establecimiento Ganadero en la escena, path-row 226-079

Recorte de la imagen

Capa de puntos GPS

AMBIENTES HECTÁREAS

Paja boba 110,88

Paja amarilla 98,01

Monte 33,57

Blanquizal 17,19

Superficie total 259,65

Trabajo de Gabinete

Clasificación

Distribución porcentual de cada ambiente del Establecimiento Ganadero