Análisis de capacidades del sensor multiespectral … · • Fotointerpretación (falso color...

Análisis de capacidades del sensor multiespectral Parrot SequoiaFernando Luis Sánchez CasadoTécnico en teledetección. Administrador de Bits Online, S.L.

Contacto: [email protected]éfono: +34 620 435 747www.aeromapas.es

2º Encuentro de usuarios de senseFlyMadrid, 24 de noviembre de 2016

Organiza:

ComentarioComentario

Para la publicación de esta ponencia, hemos añadido estos comentarios, que deben ayudar a poner en contexto los contenidos presentados.

Cuando me pidieron desde Tecnitop un título para la ponencia, tuve que tomar una decisión rápida, y mi repuesta fue Evaluación de calidad del sensor multiespectral Parrot Sequoia .

Enseguida caí en la cuenta de que había apuntado muy alto. Las evaluaciones de calidad son cosa seria y quedan fuera del alcance de esta ponencia.

Cuando me di cuenta del error, Tecnitop ya había dado difusión al programa de la jornada, por lo que debí esperar hasta la exposición de la ponencia para enmendar la situación.

Revision 1 (inicial) 3

A N Á L I S I S D E C A P A C I D A D E S D E L S E N S O R M U L T I E S P E C T R A L P A R R O TS E Q U O I A Página 2 de 26

* Expectativas* Técnico en teledetección

¿Cree usted que la pregunta es

pertinente para mí?

¿Conoce la diferencia entre correlación y causalidad? *

¿Cuánto riego debo

aplicar? *


La teledetección:

• Permite la observación directa y continua de distintas variables que caracterizan la superficie de la Tierra.

• Proporciona datos en tiempo real y de una manera escalable en el tiempo y en el espacio.

• Es una herramienta muy eficiente para identificar y hacer seguimiento de la heterogeneidad espacial del territorio.

• Permite identificar patrones espaciales y anomalías con una alta probabilidad, ubicarlos, delimitarlos y medirlos con precisión y hacer un seguimiento de su evolución a lo largo del tiempo.

Sin embargo, la teledetección normalmente no proporciona información sobre las causas de las anomalíasobservadas. La realización de ese diagnósticos requiere en casi todos los casos de información directamente obtenida sobre el terreno (verdad terreno).

Sólo cuando dispongamos de un modelo de correlación robusto entre los datos de teledetección y esa verdad terreno, podremos utilizar las imágenes para hacer el seguimiento del fenómeno y de los efectos de las decisiones de manejo del mismo que adopten los técnicos competentes.

En el ejemplo que ilustra la diapositiva, hemos detectado y ubicado una zona que muestra una respuesta espectral diferenciada lo que apunta a la probable existencia de alguna anomalía.

Gracias a ello, el gestor del territorio en el momento de recibir la imagen, identifica una posible anomalía y puede tomar decisiones y dirigir los medios que considere necesarios hacia un lugar perfectamente localizado, para confirmar la situación e investigar sus causas.

Flujo de trabajo para este servicio de teledetecciónFlujo de trabajo para este servicio de teledetección



Planificación de la misión y adquisición

de imágenes

1

Procesamiento. Generación del ortomosaicomultiespectral.

2

Control de calidad geométrico y radiométrico

3

Análisis. Índices, estadísticos,

correlaciones, etc

4

Clasificación. Productos de valor

añadido.

5

Redacción de la memoria técnica

6

Datos


En esta ponencia, mostramos un ejemplo de un tipo de trabajo técnico del que hemos recibido varios encargos en los últimos meses, consistente en la evaluación de capacidades de plataformas de teledetección (conjunto de vehículo más sensor) basadas en drones.

En Aeromapas, abordamos la tarea intentando seguir un flujo de trabajo de los habituales en un proyecto de teledetección utilizando las imágenes que el cliente nos suministra. De esta manera, podemos evaluar

• la calidad de los datos en sí,

• la del trabajo del operador (planificación y ejecución de la misisón),

• la capacidad de la plataforma utilizada,

• la compatibilidad de esas imágenes con las herramientas informáticas disponibles y

• el tipo de productos de teledetección de valor añadido que pueden generarse.

Lo habitual es que el cliente nos facilite los datos adquiridos por el sensor embarcado en el dron, sin que tengamos posibilidad de intervenir en la planificación y ejecución de los vuelos.

Planificación de la misión y adquisición de

imágenes

11




Hemos podido comprobar cómo la mayoría de los problemas que afectan a la calidad de las imágenes y la utilidad de los productos derivados depende se deben a una inadecuada planificación y ejecución de los vuelos.

A la hora de encargar la realización de un vuelo, es necesario

• asegurarse de que el operador conoce los requisitos que debe cumplir la planificación de cada misión para adecuarse a las características de cada sensor y de la finalidad del trabajo (solapes, alturas, configuración de la cámara, etcétera) y

• de que los vuelos se realicen en las mejores condiciones (ventana temporal, condiciones de iluminación, condiciones de viento, etcétera)

Recepción de datosRecepción de datos

Área de estudio ≈ 37 Ha



¿Cómo son las IMÁGENES?¿Cómo son las IMÁGENES?

G

R

RE

NIR

RGB

• 4 Bandas espectrales• Formato: TIFF

(GeoTIFF)• Definición: 1,2 Mpx• Tamaño: 2,3 MB• Codificación: 16 bits

G 550 nm / 40 nm

R660 nm / 40 nm

R-Edge735 nm / 10 nm

NIR 790 nm / 40 nm

Panel de calibración (una imagen por banda)



Un sistema autónomo Un sistema autónomo




El sensor multiespectral Parrot Sequoia está equipado con una serie de sistemas integrados (GPS, IMU, sensor de irradianza solar), que la convierten en una herramienta autónoma.

La información que proporcionan estos sistemas aparece perfectamente integrada en el EXIF de cada imagen, que contiene también los parámetros de calibración geométrica y radiométrica de cada unidad.

Estos datos son leídos e interpretados por programas informáticos como Pix4D, que hacen buen uso de ellos para generar lo ortomosaicos correspondientes a cada banda espectral registrada.

Gracias a ellos, consideramos que los sistemas de teledetección de senseFly (eBee + Sequoia + Pix4D) constituyen una buena opción llave en mano, que permiten a su operador ser productivos desde el primer momento, despreocupándose de cuestiones técnicas que no suelen ser de su interés, relativas a la integración del sensor en la aeronave, etcétera.

Procesado (Pix4D): ortorectificación, mosaicado y paso a reflectividadProcesado (Pix4D): ortorectificación, mosaicado y paso a reflectividad

Un ortomosaico por banda (G, R, RE,

NIR), en valores de reflectividad (0,1)



• Porcentaje de luz reflejada respecto a la luz incidente para cada longitud de onda.

• Se suele expresar en tanto por uno (0,1)

• Característica de cada superficie iluminada.

• Independiente de la cantidad de radiación incidente.

• La representación de la reflectividadpara cada longitud de onda de una superficie compone su firma espectral.

f (pigmentos, estructura de la hoja, contenido en agua)

http://www.markelowitz.com/Vegetation-Spectrum.png

Reflectividad espectral (ρλ): la materia prima de la teledetección*Reflectividad espectral (ρλ): la materia prima de la teledetección*

______________

* Cuando estudiamos la luz reflejada



http://www.intechopen.com/books/biofuels-economy-environment-and-sustainability/the-possibility-of-future-biofuels-production-using-waste-carbon-dioxide-and-solar-energy

http://www.ncaveo.ac.uk/special_topics/field_spectroscopy/natural_environment/?link=&template=print.inc

Radiancia al sensor (L)

Reflectividad (ρ)



Comparación del mosaico sin (izquierda) y con (derecha) calibración radiométrica



Fuente: Tragsatec

1

43

2

Ejercicio: ordena las imágenes de manor a mayor λEjercicio: ordena las imágenes de manor a mayor λ



Fuente: Tragsatec

RE

NIRR

G

SOLUCIÓN:SOLUCIÓN:



Control de calidad: generación de ortomosicos en Pix4DControl de calidad: generación de ortomosicos en Pix4D

Vista previa del mosaico y del MDS




La calidad de los ortomosaicos generados a partir de las fotografías adquiridas por la cámara fotográfica integrada en la Sequoia resulta manifiestamente insuficiente para trabajos de fotogrametría y topografía.

Control de calidad geométrico: precisión planimétricaControl de calidad geométrico: precisión planimétrica

Precisión planimétrica relativa

• No hay puntos de control en el terreno (GCP).

• Utilizamos la ortofoto del PNOA como referencia.



Control de calidad geométrico: corregistro de bandasControl de calidad geométrico: corregistro de bandas

• Los ortomosaicos tienen el mismo

origen de coordenadas.

• Fotointerpretación (falso color

infrarrojo): ausencia de halos típicos

de condiciones de desalineación de

bandas.




Pueden encontrarse buenos ejemplos de problemas radiométricos en imágenes adquiridas con drones, en la ponencia que impartió María José Checa (Tragsatec) en la Primera Reunión del Grupo Temático de RPAS de la Asociación Española de Teledetección, publicada en la página web del grupo (http://www.aet.org.es/?q=grpa).

Control de calidad geométrico: discontinuidades y otros artificios ligados al MDSControl de calidad geométrico: discontinuidades y otros artificios ligados al MDS

• Afectan a la radiometría.

• Normalmente, debidos a problemas en la planificación y ejecución del vuelo.




La calidad de los ortomosaicos utilizados para elaborar esta ponencia es más que correcta, por lo que hemos tenido que forzar un poco la situación para encontrar un ejemplo en este árbol del artificio que pretendíamos ilustrar.

En este caso, el problema sería rápida y fácilmente subsanable, lo que no ha sucedido en al menos otros dos casos de los analizados a propuesta de nuestros clientes.

La causa última de estos problemas ligados a fallos en el MDS hay que buscarla en la incorrecta planificación del vuelo o en dificultades surgidas durante éste. Es por esta razón por la que siempre insistimos a los responsables de las operaciones aéreas en que no abandonen la zona de vuelo hasta haber comprobado que lsimágenes adquiridas tienen la calidad y los solapes requeridos.

Control de calidad radiométrica: rango de valores de reflectividadControl de calidad radiométrica: rango de valores de reflectividad

Hemos comprobado que, en ortomosaicos construidos a partir de imágenes Sequoia, pueden aparecer valores de reflectividad ligeramente por encima de 1, en las bandas del borde del rojo (ρ735) y del infrarrojo cercano (ρ790). Son datos aislados (¿píxeles saturados?) y pueden ignorarse.

¡ATENCIÓN A LOS VALORES POR DEFECTO DE REFLECTIVIDAD DEL PANEL DE REFERENCIA EN

PIX4D!

ρ550 ρ660 ρ735 ρ790



Control de calidad radiométrica: coherencia de firmas espectralesControl de calidad radiométrica: coherencia de firmas espectrales

¿A qué cobertura del terreno corresponde cada firma espectral?

1

4

2

3



Análisis: cálculo de índices de vegetación, estadísticos, etcéteraAnálisis: cálculo de índices de vegetación, estadísticos, etcétera

NDVI = (ρ790 – ρ660) / (ρ790 + ρ660)

Se correlaciona con la actividad fotosintética y la biomasa.

GNDVI = (ρ790 – ρ550) / (ρ790 + ρ550)

Al igual que el NDVI, puede correlacionarse con la actividad fotosintética.

NDRE = (ρ790 – ρ735) / (ρ790 + ρ735)

Mejora la precisión de las clasificaciones en cultivos y es más sensible al contenido en clorofila.



Análisis: coherencia con otras fuentes de datos de observación del territorioAnálisis: coherencia con otras fuentes de datos de observación del territorio

Índices de vegetación normalizados

(NDVI, GNDVI, NDRE) calculados a partir

de la imagen Sentinel 2A de la zona en

valores de reflectividad TOA, adquirida el

30 de julio de 2017, 4 días después del

vuelo.




La falsa disyuntiva entre satélite y dron que a veces se plantea en foros relacionados con drones carece de fundamento sólo se justifica por la ignorancia de quienes la promueven.

El técnico en teledetección debe conocer las capacidades y características de todas las plataformas que tenga a su disposición y elegir la más adecuada en cada momento, buscando la máxima eficiencia y calidad en su trabajo y la máxima rentabilidad y utilidad para su cliente.

Los drones son una nueva herramienta en teledetección, que ofrecen una alta disponibilidad, pero su operación es costosa y presenta limitaciones debidas a factores diversos (cuestiones legales, meteorología, volumen de datos y tiempo de procesamiento, etcétera).

Lo normal es que, si se considera necesario, puedan hacerse un número limitado de vuelos con dron en momentos muy concretos de cada campaña y que se pueda hacer el resto del seguimiento utilizando otro tipo de plataformas de observación como los satélites, la aviación tripulada, los sensores de mano, etcétera.

Respecto a los satélites, la posibilidad que ahora ofrecen programas como el Landsat o el Copernicus, de disponer de imágenes gratuitas con suficiente resolución espacial, temporal y radiométrica, y un número destacable de bandas espectrales los convierte en una alternativa a tener en cuenta para cualquier trabajo agrícolas.

Clasificación y producción de otros productos de valor añadidoClasificación y producción de otros productos de valor añadido

• Las clasificaciones deben realizarse

con una finalidad clara y ajustarse

mediante correlaciones con datos de

verdad terreno (coberturas, manejo,

histórico de cultivos, etcétera).

• Las vistas en falso color infrarrojo es

especialmente útil para tareas de

fotointerpretación. La banda más

importante se asigna al canal rojo y la

menos, al azul.




Las clasificaciones atendiendo a criterios más o menos complejos, de las imágenes y de los productos derivados

de su análisis permiten al técnico en teledetección elaborar mapas de coberturas del terreno (vegetación, suelo desnudo, agua, asfalto, construcciones, vegetación senescente, vegetación vigorosa, bosque de hoja perenne, bosque de hoja caduca, etcétera).

Para obtener clasificaciones de usos del suelo (cultivos herbáceos, cultivos leñosos, barbecho, camino, carretera, zona urbana, maizal, campo de cereal, vegetación natural, reforestación, bosque natural, etcétera) y más aún, productos derivados mucho más elaborados como mapas de prescripción variable para agricultura, se

requieren datos adicionales de verdad terreno (datos de campo, datos de fotointerpretación, etcétera), que permitan crear un modelo de correlación robusto entre las firmas espectrales observadas en las imágenes (coberturas) y los usos correspondientes.

Por ello, actuaciones como por ejemplo, la producción de mapas de prescripción de dosis variable de fertilizantes o fitosanitarios directamente a partir de valores de NDVI u otros índices de vegetación constituyen

una grave irresponsabilidad y una actuación negligente por parte de sus autores y pueden llevar a cometer errores de consecuencias imprevisibles a quienes utilicen estos datos como base para el proceso de toma de decisiones.

Aprovechamos esta tribuna para animar a asesores, gestores y responsables de explotaciones agrícolas y espacios naturales, entre otros, a conocer y a utilizar la teledetección, pero yendo de la mano de técnicos con la formación y los conocimientos que el ejercicio profesional de la teledetección, como el de cualquier otra actividad, requieren.

Y animamos también a quienes vean en la teledetección una posibilidad de desarrollo profesional a que se informen y se formen en la materia y actúen con la responsabilidad que se espera de todo técnico.

ConclusionesConclusiones

1. El sensor Parrot Sequoia proporciona imágenes multiespectrales perfectamente válidas para

trabajos de teledetección. Esas imágenes permiten seguir un flujo de trabajo similar a los

habituales en esa ciencia.

2. La sección multiespectral del sensor está específicamente diseñada para estudios de la

vegetación.

3. La cámara fotógráfica incluida en la Sequoia es perfectamente prescindible.

4. Con este sensor, al igual que con otros embarcados en drones, resulta crucial la adecuada

planificación y ejecución de las misiones. No debería abandonarse la zona de trabajo sin

verificar que la calidad de las imágenes adquiridas es la requerida.

5. Los datos captados con este sensor son coherentes con los proporcionados por otras fuentes

bien conocidas (serie Landsat, Sentinel 2A). Esto debe permitir su empleo para trabajos que

requieran el uso, ya sea simultáneo o alternativo, de distintas plataformas de teledetección

para el seguimiento temporal y a distintas escalas espaciales de fenómenos, siempre que se

realicen con anterioridad los pertinentes intercalibrados.



6. En todo caso, los valores de referencia de los índices de vegetación establecidos por la

literatura científica a partir de estudios realizados con sensores a bordo de satélites han de ser

tomados con cautela cuando se comparen con los calculados a imágenes Sequoia, puesto que

la posición de las bandas espectrales, las características técnicas de los sensores y la alta

resolución espacial que se logra con los vuelos de drones (causa de una alta dispersión de

valores de reflectividad) hacen que no sean directamente comparables.





Queridos Reyes Magos:Queridos Reyes Magos:Queridos Reyes Magos:Queridos Reyes Magos:

Este año nos hemos portado bien y queremos pediros un Este año nos hemos portado bien y queremos pediros un Este año nos hemos portado bien y queremos pediros un Este año nos hemos portado bien y queremos pediros un eBeeeBeeeBeeeBee con una con una con una con una

Sequoia y un montón de clientes para amortizarlos.Sequoia y un montón de clientes para amortizarlos.Sequoia y un montón de clientes para amortizarlos.Sequoia y un montón de clientes para amortizarlos.

También queríamos pediros que les digáis a los señores de También queríamos pediros que les digáis a los señores de También queríamos pediros que les digáis a los señores de También queríamos pediros que les digáis a los señores de ParrotParrotParrotParrot, que , que , que , que

la cámara fotográfica que trae la Sequoia vale para bien poco y que la cámara fotográfica que trae la Sequoia vale para bien poco y que la cámara fotográfica que trae la Sequoia vale para bien poco y que la cámara fotográfica que trae la Sequoia vale para bien poco y que

puestos a gastar electricidad y a añadir peso, podían cambiarla por puestos a gastar electricidad y a añadir peso, podían cambiarla por puestos a gastar electricidad y a añadir peso, podían cambiarla por puestos a gastar electricidad y a añadir peso, podían cambiarla por

una banda más, a poder ser en el azul.una banda más, a poder ser en el azul.una banda más, a poder ser en el azul.una banda más, a poder ser en el azul.

Creo que no se me olvida nada.Creo que no se me olvida nada.Creo que no se me olvida nada.Creo que no se me olvida nada.

Muchos besos para los tres y para los pajes.Muchos besos para los tres y para los pajes.Muchos besos para los tres y para los pajes.Muchos besos para los tres y para los pajes.

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