Trabajo de fotogrametria del distrito de Santa Rosa - Lambayeque UNPRG

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Georeferenciación de la Ciudad de Santa Rosa 44


Escuela Profesional de Ingeniería Civil
Curso: Fotogrametría
Docente: Ing. Bocanegra Jacome Miguel







La utilización de sensores remotos colocados en satélites es una herramienta muy poderosa para la evaluación, estudio y monitoreo de los recursos naturales en la tierra.
Para muchas aplicaciones con datos de sensores remotos se requiere de una gran precisión geométrica, por ejemplo para la superposición con mapas, para esto las imágenes deben ser corregidas geométricamente, mediante el proceso conocido como Georeferenciación.

Si el producto satelital adquirido no esta georeferenciado, ni corregido geográficamente es necesario adicionar algunos puntos geográficos de control. Este procedimiento se llama georeferenciamiento y básicamente consiste en introducir las coordenadas de puntos fácilmente reconocibles en la imagen como son cruces de carreteras, desembocaduras de ríos, construcciones o rasgos fisiográficos que no sean demasiado dinámicos. Los puntos adicionados de esta forma deben estar bien distribuidos en la escena, tratando al máximo de evitar la linealidad en su colocación. El nivel de precisión alcanzado en la georeferencia depende en gran medida de la fuente de información geográfica utilizada (mapas temáticos, cartografía oficial, puntos de GPS etc.) y de la escala a la cual se vaya a realizar el trabajo. Como regla general de precisión se puede decir que el error medio cuadrático de los puntos debe ser inferior a tres.

Es fundamental para cualquier tipo de corrección geométrica identificar claramente sobre la imagen puntos de control, tales como cruces de caminos o vías férreas, puentes o accidentes geográficos claros y que no cambien sus formas muy rápidamente. La característica a tener en cuenta en la elección a priori de un punto de control terrestre (GCP) es la capacidad de
"localización inequívoca" con la mayor precisión tanto en la imagen como en el terreno. Los puntos de control de tierra se adquieren de dos formas o bien a través de digitalización de mapas o bien con mediciones en campo con GPS, que son muy precisos. La cantidad de puntos necesarios para una buena rectificación depende del orden del polinomio a usar, del relieve del área y del grado de precisión requerido. Es importante tener en cuenta tres aspectos para la elección de los puntos de control, el número, la localización y distribución. El número depende de la complejidad del terreno y mientras más se usen es mejor, buscando que los puntos no tengan dinamismo temporal y es importante que la distribución sea uniforme en toda la imagen y no que estén concentrados todos en un sector solamente, por ejemplo alrededor de una ciudad.












OBJETIVOS
Comprender el proceso de referenciar imágenes de satélite.

Georeferenciar una imagen satelital de la Ciudad de Santa Rosa y comparar con las mediciones hechas en campo.

Tener los conocimientos básicos, para georeferenciar cualquier imagen con la cual desea trabajar.















MARCO TEÓRICO
3.1.- Imágenes satelitales

Es la representación gráfica de un objeto producida por un aparato óptico o electrónico. Cada banda disponible en un satélite da lugar a una imagen, aunque estas puedan servir para análisis particulares, lo habitual es formar una imagen con la combinación de la información de un conjunto de bandas. En general se emplean tres bandas y la energía presente en las bandas en uso es atribuida a los colores primarios bandas visibles (azul, verde, y rojo). Cuando las bandas atribuidas no corresponden a las visibles se suele decir que la imagen resultante es de falso color.

Una imagen puede dar lugar a dos tipos de tratamiento, el primero visual es conocido como fotointerpretación, el segundo puramente numérico da lugar a la clasificación de imágenes. Sin embargo existen varias técnicas de tratamiento numérico de las imágenes que tienden a una mejor fotointerpretación. Tanto el análisis visual como numérico constituyen herramientas eficaces en situaciones de riesgo.

La cualidad fundamental de las imágenes es la rapidez con que se trasmite una elevada cantidad y variedad de datos. Síntesis y velocidad son las características principales. Las imágenes satelitales tiene sin embargo limitaciones, estas provienen en algunos casos de bajas resoluciones en cualquiera de las ya citadas y fundamentalmente en situaciones de riesgo de la existencia de coberturas nubosas.




3.2.- Estructura de una imagen

Está formada por un conjunto de elementos mínimos llamados pixeles a los que corresponde un único valor numérico. En general para cada banda la información numérica viene dada en un byte lo que permite asignar valores desde 0 a 255. La combinación de bandas necesita en general un mayor número de bytes por pixel. En general se trabaja con imágenes de 8, 12 o 24 bytes.
Los programas de tratamiento de imágenes permiten analizar el histograma para cada una de las bandas y modificar la respuesta color para el rango de valores citados permitiendo así hacer resaltar elementos de interés.

La combinación de bandas elegidas para la elaboración de una imagen permiten obtener colores cercanos a los que obtendría el ojo humano o colores totalmente diferentes, falso color, con los que se obtiene el resultado buscado, es decir, hacer resaltar elementos de interés.

La superficie cubierta por una imagen depende del tipo de satélite.

3.3.- Importancia del uso de imágenes en distintas situaciones de riesgo

Las imágenes permiten en algunos casos detectar un fenómeno, en otros describir la nueva situación territorial, en algunos prever posibles zonas afectadas y finalmente ayudar a enviar auxilio ante una catástrofe natural.

Alguna de sus aplicaciones escapa a los objetivos de este trabajo por la especificidad de sus aplicaciones, por ejemplo el seguimiento de ciclones en zonas tropicales o las previsiones meteorológicas que encuentran importantes datos en imágenes específicas.
Una imagen satelital georeferenciada reemplaza rápidamente la cartografía disponible, obsoleta por modificación de la situación en el terreno suministrando la información superficial que se espera de un mapa. En muchos casos permite identificar y medir la superficie afectada por algún fenómeno, una inundación o un incendio forestal, por ejemplo.

3.4.- Georeferenciación de imágenes
3.4.1 Posición del pixel

La georeferenciación de imágenes consiste en establecer una correspondencia biunívoca entre cada uno de los pixeles de una imagen y los correspondientes puntos/áreas sobre el terreno. Para ello es necesario contar con las coordenadas de los puntos correspondientes en ambos sistemas: el de la imagen y el del terreno.

Las coordenadas de un pixel en la imagen vienen dadas por los valores de su posición en filas o columnas. Algunos programas introducen un sistema de coordenadas plano (x y) de la imagen con lo que una fracción de pixel puede ser determinada.

La imagen es una representación plana de la superficie topográfica y debe ser comparada con otra representación plana del mismo: una representación cartográfica.
Deben efectuarse entonces algunos pasos para obtener la georeferenciación de una imagen: Obtención en el terreno de las coordenadas de puntos identificables en la imagen (Puntos de control). En los puntos notables, por ejemplo intersección de caminos, se miden con GPS las coordenadas geográficas.

Adopción de un marco de referencia. Cuando se usan las técnicas GPS, el marco de referencia implícito es WGS84 y el elipsoide de referencia a emplear es el que corresponde a este sistema.

Adopción de un sistema proyectivo. Para la mayoría de las imágenes la proyección UTM por la amplitud de sus fajas es adecuada. Hay que recordar que el sistema proyectivo que el IGM emplea en su cartografía es el Gauss Krüger.

Transformación de las coordenadas geográficas de los puntos de control en coordenadas proyectivas. Existe un sinnúmero de programas comerciales y otros de uso libre para este fin.

Aplicación de un algoritmo que coloque a cada pixel en la posición que le corresponde en el sistema proyectivo.

Todos los programas de tratamiento de imágenes brindan la posibilidad de transformar una imagen ya georeferenciada a otra proyección o a otro sistema de referencia. Para ello tiene entre sus datos los elementos necesarios para pasar de una situación a otra e inclusive procedimientos para introducir fácilmente otros sistemas de referencia. En este caso también un re muestreo es necesario.






3.4.2.-Transferencia de los Niveles Digitales (ND) originales a la posición corregida.

Se denomina Nivel Digital (ND) al valor numérico entero, bajo una determinada banda del espectro, que se corresponde con la radiancia media captada por el sensor para un área de terreno equivalente al tamaño de un pixel.

Los polinomios de corrección modifican la posición de los pixel, idealmente, cada pixel de la imagen corregida debería corresponder a un solo pixel en la original, pero normalmente el pixel de la nueva imagen se sitúa entre varios de la original. Entonces, por un proceso llamado remuestreo (resampling) que involucra extracción e interpolación de ND de los pixeles para encontrar un ND que exprese el valor radiométrico más fiel al originalmente captado por el sensor para cada pixel de la imagen corregida.

3.4.3.Métodos de Remuestreo

El remuestreo de ND a la imagen corregida será abordado por tres métodos:

Vecino más próximo,
Interpolación bilineal
Convolución cúbica.

En realidad puede resumirse en dos, según almacenen un ND de la imagen original, o lo obtengan gracias a una interpolación de varios ND originales.


El primer método se denomina del Vecino más Próximo (nearest neighbour), por situar en casa celdilla de la imagen corregida el ND del píxel más cercano de la imagen original. Esta es la solución más rápida y la que supone menor transformación de los ND originales. Su principal inconveniente radica en la distorsión que introduce en rasgos lineales de la imagen (fracturas, carretera o camino) que pueden aparecer en la corregida como líneas quebradas.

La interpolación bilineal (bilinear interpolation), supone promediar el ND de los cuatro píxeles más cercanos en la original. Este promedio se pondera según la distancia del píxel original al corregido: tienen una mayor influencia aquellos píxeles más cercanos en la imagen inicial. Reduce el efecto de distorsión en rasgos lineales, pero tiende a difuminar un tanto los contrastes espaciales de la imagen original.

Por último, la convolución cúbica (cuvic convolution), considera los ND de los 16 píxeles más próximos. El efecto visual es más correcto, pero supone un volumen de cálculo mucho más elevado.

La elección entre uno de los tres métodos depende de la finalidad del proceso y de los recursos informáticos disponibles, el método del vecino más próximo es el único que preserva los valores originales al no introducir promedios. Si, por el contrario, se pretende facilitar el análisis visual, habrá de optarse por algoritmos de interpolación más sofisticados, concretamente por el de convolución cúbica si se cuenta con los recursos informáticos apropiados, (para la potencia de los equipos informáticos de la actualidad esto ya no es un factor limitante).

Conveniencia de las correcciones geométricas.

El proceso de corrección geométrica de una imagen puede ser realizado durante las primeras fases de análisis, de modo que éste continúe sobre imágenes corregidas, o bien en la última etapa del trabajo. Si lo que se pretende es introducir variables o imágenes auxiliares durante la etapa de clasificación y análisis, es necesario hacerla en la fase inicial. Pero si lo que se pretende es vincular los resultados de una clasificación con información cartográfica, o superponer dos clasificaciones realizadas en distinta fecha, el momento adecuado es en la fase final.

Conviene hacer una breve reflexión sobre la necesidad y momento de las correcciones geométricas. Tradicionalmente esta operación se ha concebido como previa e imprescindible a cualquier análisis posterior de la imagen. En los últimos años, sin embargo, se prefiere restringir estas correcciones a la fase final de trabajo, una vez que se haya obtenido un mapa de clasificación.

La razón es doble: por un lado, se reduce el tiempo de tratamiento, pues, en lugar de corregir todas las bandas originales, basta corregir una, la que contiene la imagen clasificada; por otro, se aborda la clasificación con los valores originales, evitando el efecto de promedio parejo a la tercera fase del proceso de corrección. Las conclusiones de estos trabajos aconsejan realizar la clasificación con los valores originales, si bien no se encontraron grandes pérdidas de exactitud en el empleo de las imágenes corregidas.

Conviene tener presente que, en determinadas aplicaciones, las correcciones resultan un paso obligado y previo a otros tratamientos. Este es el caso de las aplicaciones cartográficas en general, así como los estudios multi-temporales o los que acudan a información auxiliar. En ambos casos, la precisión en el ajuste resulta un elemento fundamental, por cuanto este tipo de procesos suele abordarse por comparación, píxel a píxel, entre dos o más imágenes (o entre imagen y mapa). Una significativa imprecisión en esta fase puede invalidar las conclusiones posteriores del trabajo.

En resumen, puede afirmarse que las correcciones geométricas son necesarias en la mayor parte de las aplicaciones de la teledetección espacial, aunque no en todas ellas como fase previa de trabajo.
Si lo que se pretende es conectar los resultados de la clasificación con otras variables geográficas, o superponer dos clasificaciones realizadas en distinta fecha, las correcciones geométricas pueden abordarse al finalizar en proceso de análisis. Ahora bien, si pretenden introducirse variables o imágenes auxiliares en la clasificación, es evidente que el registro geométrico es necesario previamente a otros tratamientos.















Descripción de la Ciudad de Santa Rosa
El Distrito peruano de Santa Rosa es uno de los 20 distritos de la Provincia de Chiclayo, ubicada en el Departamento de Lambayeque, perteneciente a la Región Lambayeque, Perú.


Ciudad de Santa Rosa (vista de Google Earth Pro)

4.1.- Superficie
La ciudad de Santa rosa tiene una superficie de 14,09 km².
Fue creado por Ley Regional 174, del 2 de agosto de 1920. Su capital es el pueblo de Santa Rosa, ubicado a orillas del mar, a 17,6 km de la ciudad de Chiclayo, a 4msnm.



4.2.- Relieve
Es llano con pequeñas lomas y algunas depresiones, que son salinas, donde antiguamente se formaron ciénagas o lagunas, hoy ya desaparecidas. Posee amplias playas con la presencia de dunas.
4.3.- Recursos naturales
Es destacable su fauna marina, con la presencia de de gran variedad y cantidad de peces, crustáceos.
Su suelo agrícola es escaso, encontrándose tierras eriazas y salinas.
La flora natural es pobre y se constituye por grama salada, totora, chilco, chope y otras especies ralas.














PROCEDIMIENTO PARA LA GEOREFERENCIACIÓN DE IMÁGENES
DATUM WGS 84 – FRANJA 17 HEMISFERIO SUR – ZONA 17M
5.1.- Ubicar, guardar y cambiar de coordenadas de la imagen en Software Google Earth Pro
Ubicar la Imagen a guardar: En nuestro caso la ciudad de Santa Rosa








Guardar Imagen


Seleccionar la más alta calidad de la siguiente manera.

Buscar una determinada Ruta para guardar la imagen

Cambiar a Coordenadas UTM para obtener puntos de la imagen, en nuestro caso serán 16 a más puntos.

Se abrirá la siguiente ventana (elegir la opción Universal Transversal de Mercator)










5.2.- Toma de puntos de control de la imagen en coordenadas UTM
PUNTOS
DESCRIPCION
Pt.
Este
Sur

1
619109.35
9239440.03
ESQUINA DE PARQUE 01
2
619076.68
9239513.51
ESQUINA DE PARQUE 02
3
619216.68
9239540.32
ESQUINA DE TANQUE 01
4
619280.88
9239404.83
ESQUINA DE TANQUE 02
5
619515.42
9239327.07
ESQUINA PARQUE INFANTIL 1
6
619553.53
92393331.15
ESQUINA PARQUE INFANTIL 2
7
619708.65
9238903.39
ESQUINA TANQUE ELEVADO 1
8
619709.67
9238886.98
ESQUINA TANQUE ELEVADO 2
9
619666.55
9238751.1
ESQUINA DE COLEGIO 1
10
619579.32
9238739.04
ESQUINA DE COLEGIO 2
11
619296.56
9238911.15
INTERSECCION DE CALLES
12
619100.34
9239106.56
OVALO LOS DELFINES
13
618976.23
9239373.87
ESQUINA DE MERCADO
14
619017.54
9239338.78
OVALO SANTA ROSA
15
618796.49
9239810.67
ESQUINA SEPARADOR CENTRAL
16
618732.37
9240051.05
DREN Y VÍA A SANTA ROSA
17
618699.24
9240065.48
ESQUINA DE GRIFO






5.3.- Ingresar puntos al programa Excel

Grabar el archivo en formato CVS_(delimitado por comas)

5.4.- Jalar puntos e imagen al programa ArcMap
Crear un archivo Nuevo

Importar datos del Excel creado



Buscar el archivo creado


Saldrá la siguiente ventana.

Ir a edit

Select…
Buscar el archivo donde está ubicado el datum WGS 84 siguiente:

Abrir …. Aplicar … Aceptar

Comprobación de Puntos Ingresados

Cambiar tem ….. para no borrar la información:




Luego remover los puntos con los cuales no se va a trabajar


Hacer visible la capa de Comentario




Luego cargar la imagen:


Click en Yes


5.5.- Georeferenciando la imagen
Procedemos a georeferenciar la imagen:


Referenciacion del primer punto:


De la misma manera se procede a ubicar los puntos restantes.








5.6.- Corrección Geométrica
1st ORDER POLYNOMIAL

2nd ORDER POLYNOMIAL


3nd ORDER POLYNOMIAL

ADJUST



5.7.- Medidas tomadas en programa
Medidas del parque principal








Medidas muro perimétrico de tanque elevado 1


Medidas del parque Infantil












5.8.- Corrección Radiométrica

Nearest Neighbor


Bilinear Interpolation



Cubic Convulotion













COMPARACION DE MEDIDSAS TOMADAS EN SOTWARE ARC GIS CON MEDIDAD TOMADAS EN CAMPO

Descripcion
Medidas Tomadas en Campo (m)
Medidas Obtenidas por el Programa (m)
Error (m)




ESQUINA DE PARQUE 01
81.90
81.22
0.68
ESQUINA DE PARQUE 02



ESQUINA DE TANQUE 01
152.50
152.35
0.15
ESQUINA DE TANQUE 02



ESQUINA PARQUE INFANTIL 1
36.58
37.87
1.29
ESQUINA PARQUE INFANTIL 2



ESQUINA TANQUE ELEVADO 1
18.00
17.79
0.21
ESQUINA TANQUE ELEVADO 2






Error Promedio
0.58


















CONCLUSIONES
Se ha realizado la Georeferenciación con el DATUM WGS 84 FRANJA 17 HEMISFERIO SUR para la ciudad de Santa Rosa
La ciudad de Santa Rosa se encuentra en la zona 17M
La Corrección Geométrica resulto lo siguiente:
1st order polynomial: 0.79542
2nd order polynomial: 0.69662
3nd order polynomial: 0.64307
Adjust: 0.18422
Cuadro comparativo entre medidas tomadas en el programa y medidas hechas en Campo:
Descripcion
Medidas Tomadas en Campo (m)
Medidas Obtenidas por el Programa (m)
Error (m)




ESQUINA DE PARQUE 01
81.90
81.22
0.68
ESQUINA DE PARQUE 02



ESQUINA DE TANQUE 01
152.50
152.35
0.15
ESQUINA DE TANQUE 02



ESQUINA PARQUE INFANTIL 1
36.58
37.87
1.29
ESQUINA PARQUE INFANTIL 2



ESQUINA TANQUE ELEVADO 1
18.00
17.79
0.21
ESQUINA TANQUE ELEVADO 2






Error Promedio
0.58