Aplicaciones_Urbanas_Teledeteccion

8/14/2019 Aplicaciones_Urbanas_Teledeteccion

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Aplicaciones Urbanas de la TeledeteccinJos Ciampagna

ndice

Introduccin..............................................................................21 Principios de Teledeteccin.......................................................... 3

1.1 La energa electromagntica.................................................................................51.2 Factores que distorsionan el comportamiento de la energa

electromagntica.............................................................................................................................7 2 Sensores Remotos....................................................................9

2.1 Sensores activos y pasivos ..................................................................................102.2 Resoluciones............................................................................................................12

3 Imgenes satelitales............................................................... 134 Procesamiento de imgenes........................................................ 15

4.1 Correcciones radiomtricas ................................................................................154.2 Correcciones geomtricas ...................................................................................174.3 Georreferenciacin ...............................................................................................184.4 Ortorrectificacin de Imgenes....................................................................... 20

5 Confeccin de Cartografa urbana con imgenes................................. 206 Cartografa y Explotacin semntica ............................................. 21

6.1 Utilizacin de la Teledeteccin para confeccionar Cartografa Urbana...216.2 Clasificacin de Imgenes .................................................................................. 24

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Aplicaciones Urbanas de la Teledeteccin copyright

IntroduccinVolar ha sido uno de los sueos ms intensamente anhelados por la humanidad desde

pocas muy remotas. Uno de los principales objetivos de la aventura area fue la bsqueda de unanueva visin de los paisajes terrestres, de una imagen o vista panormica similar a la que seobserva desde las cimas de las montaas. El afn de remontar la limitada perspectiva de la visinhumana a nivel de suelo es evidente desde principios de la aeronutica.

Observar a la superficie terrestre desde arriba exige instrumentos y tcnicas especialesque permitan capturar (obtener y registrar) datos acerca de objetos con los cuales no se est encontacto fsico. Estos instrumentos sensibles a algn tipo de radiacin emitida o reflejada por losobjetos distantes se denominan Sensores Remotos y el estudio de sus caractersticas y de lastcnicas utilizadas para el tratamiento de los datos que generan estn comprendidas en el readenominada Teledeteccin

1.

Las tcnicas de Teledeteccin se desarrollaron notablemente a partir de la II GuerraMundial debido a la importancia de sta tecnologa para la definicin de estrategias. Continuevolucionando en el campo militar, transfirindose paulatinamente mtodos y productos para el usocivil. El Cuadro 6.1 contiene una breve cronologa de los hechos ms significativos de la historia dela Teledeteccin.

Cuadro 6.1 Evolucin de la Teledeteccin2

Fecha Acontecimiento1839 Creacin del primer sensor capaz de almacenar una imagen, la emulsin fotogrfica,

descubierta por Niepce y Daguerre.

1850 Aparicin de la primera cmara fotogrfica.

1859 En la batalla de Solferino en Italia se sube a un globo areo una cmara fotogrfica.

1903 Los hermanos Wright vuelan por primera vez en avin.

1909 Wilbur Wright adquiere la primera fotografa area.

1915 En la primera guerra mundial C. Messter de Carl Zeiss desarrolla la primera cmara area.

19391945

Durante el transcurso de la II Guerra Mundial comienzan los desarrollos del radar enAlemania e Inglaterra. La interpretacin de imgenes se extiende a otros usos civiles ademsde la guerra.

1950 Se desarrolla el primer film color infrarrojo en Estados Unidos.

1957 Lanzamiento del primer satlite artificial Sputnik , realizado por Rusia.

1960 Se usa por primera vez un satlite (Tiros) a fin meteorolgico.

1969 A bordo de la Apollo 9 se realiza el primer experimento multi-espectral, denominado S065,compuesto por cuatro cmaras Hasselblad con distinto filtros.

1972 Se pone en rbita el primer satlite con cubrimiento global con una resolucin de 80 metros

1El trmino Teledeteccin comenz a utilizarse a principios de los aos 60 para designar cualquier medio de observacin

remota y si bien comenz a ser aplicando a los productos y sensores suborbitales como la fotografa area, actualmentecontempla a todos los instrumentos y tcnicas orbitales. En el contexto de esta obra al referirse a Teledeteccin se estarhaciendo mencin a sensores remotos e imgenes satelitales.2

Adaptado de: Emilio Chuvieco. Fundamentos de Teledeteccin Espacial, Ediciones Rialp, Alcal, Madrid, Espaa,2da.Edicin, 1995 y Gottfried Konecny. Geoinformation-Remote Sensing, Photogrammetry and Geographic InformationSystems . Taylor and Francis, London, 2003.

Aplicaciones del Catastro Multifinalitario en la Definicin de Polticas de Suelo Urbano 2


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cuatro canales, el visible y un canal infrarrojo denominado Earth Resources TechnologySatellite (ERTS-1), llamado despus Landsat 1.

1975 Es lanzado el segundo satlite ERTS, denominado Landsat 2 por primera vez.

1978 Se lanza el Landsat 3 con 30 metros de resolucin y seis canales de recepcin y uno trmico

1982 Se pon en rbita el Landsat 4 con la inclusin del sensor Thematic Mapper (TM) con 30metros de resolucin y 7 bandas espectrales es el mismo sensor que el futuro Landsat 5 anen rbita.

1986 Lanzamiento del satlite SPOT de Francia con resolucin de 10 metros en el canalpancromtico y 20 metros en multiespectral.

1996 Se lanza el satlite Indio IRS1C y 1D con pxel de 6 metros

1999 Lanzamiento del satlite comercial Ikonos con pxel de 1 metro. Lanzamiento del SatliteLandsat 7 con el sensor ETM+.

2000 Se lanza la misin Shutle Radar Topography para obtener el relieve terrestre a 30 metrosde resolucin. Fracaso a puesta en rbita del satlite QuickBird-1. El satlite EROS A,

lanzado en diciembre de 2000, adquiere imgenes blanco y negro de una superficie de 13,5km x 13,5 km a 1,8 m de resolucin.

2001 Se lanza el satlite comercial QuickBird-2 con pixel pancromtico de hasta 0,61 metros segnel ngulo de toma.

2003 Se lanza el satlite comercial OrbView - 3 de un metro de resolucin.

2004 Lanzamiento del satlite Formosat-2, programa desarrollado mayoritariamente por la agenciaespacial de Taiwan. Su orbita de caractersticas especiales le confiere propiedadesgeosincrnicas y heliosincrnicas lo que permite tomar imgenes diariamente del mismo lugarcon resolucin de 2 metros.

2007 En plan de ser puesto en rbita el stelite OrbView 5 con resolucin de 0,41 metros deresolucin.

El estudio de la las tcnicas e instrumentos citados puede ser encarado de varias formas,una de ellas es dividirlo en las pocas fotogrfica (Fotogrametra y Fotointerpretacin descriptas

en el Captulo 5) y de imgenes satelitales (Teledeteccin).

1 Principios de TeledeteccinLa fotografa pancromtica

3retrata la visin que el ojo humano capta de un rea en un instante,

mientras que la Teledeteccin extiende el rango de percepcin del espectro visible permitiendoobservar tambin imgenes invisibles por el ojo humano.

Los sensores remotos satelitales estn ligados estrechamente a la tecnologa de satlites yla toma de imgenes en forma digital. Las imgenes generadas por los sensores remotos puedenrepresentar vistas como en la fotografa convencional. Ello se produce con la reproduccin en unapantalla de video (monitor de computadora) de las bandas en el espectro visible tal como si fuera

una fotografa convencional. Si se desea reproducir imgenes en pantalla de otras partes diferentesal espectro visible, (imposibles de ver directamente por el ojo humano) se pueden visualizarasignando falsos colores visibles a las bandas no visibles.

3Si bien existen fotografas sensibles a radiacin que pertenece a bandas del espectro electromagntico que van mas all

del campo de visin humana, en esta obra se consideran solamente las pancromticas que presentan sensiblidad en estecampo de visin.



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Justamente los fundamentos bsicos de los sensores remotos son las propiedades de laradiacin electromagntica y su interaccin con la materia.

La Figura 6.1 siguiente explica claramente el proceso de teledeteccin.

Figura 6.1 Principios de la Teledeteccin

Como se puede observar siempre hay una fuente de energa electromagntica (por ejemplo,el Sol) que emite energa, la atmsfera la modifica de diferentes formas, esa energa incide sobre unobjeto ubicado sobre la superficie terrestre, ese objeto interacta con ella: absorbe (en todos loscasos) y transmite (en caso de ser traslcido) una parte y la otra parte la refleja. El sensor capta laenerga reflejada y modificada nuevamente por la atmsfera, la cuantifica (discretiza) y graba lasdiferentes intensidades recibidas en forma de datos numricos, transmitindolos a un receptor

donde se procesan y almacenan. A partir del procesamiento cada objeto real tendr unarepresentacin en la imagen las cuales pueden ser analizadas para obtener informacin del rea deestudio.


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1.1 La energa electromagntica

La primera teora sobre la propagacin de la luz fue enunciada por Newton y se la conocecomo teora corpuscular. Segn ella, las fuentes luminosas emiten luz en forma de corpsculos muylivianos. La segunda observacin sobre la naturaleza de la luz lo constituye la llamada teoraondulatoria enunciada por Huygens y afirma que la propagacin se realiza por ondas, a manera dela propagacin mecnicoacstica, como por ejemplo la propagacin del sonido en el aire. El mediodonde se realiza esta propagacin, de acuerdo a esta teora, era el denominado ter.

A partir de los estudios de Maxwell y Hertz se desarrolla la teora electromagntica dondese explican algunos fenmenos fsicos no resueltos por las teoras anteriores. Si bien se mantienela idea de un comportamiento ondulatorio, la teora de Maxwell dice que lo que se propaga es un

campo electromagntico en cambio de una vibracin mecnica sobre el ter.

Los aspectos geomtricos de la teledeteccin se basan en criterios ondulatorios, as comosu interaccin con la materia se apoya en los conceptos de la fsica cuntica de Plank (que vino aunir en el tiempo las ideas de Newton y Maxwell). As la energa electromagntica corresponde a unquantum de energa (fotn) que se desplaza siguiendo un comportamiento ondulatorio.

As, las ondas electromagnticas constituyen un tipo especial de ondas producidas por laasociacin de dos campos perpendiculares: el campo elctrico y el campo magntico (Figura 6.2).

Figura 6.2 Onda electromagntica

Las ondas electromagnticas pueden ser modeladas como si fueran ondas sinusoidalesconuna longitud definida y su frmula general es:

C= . Fdonde: C = velocidad de la luz que corresponde a 300.000 km/s en el vaco (constante para todaslas ondas electromagnticas), = longitud de onda medida en metros y F= Frecuencia medida enciclos por segundo.

La longitud de onda es la distancia existente entre dos crestas sucesivas de la ondaexpresada en metros y la frecuencia es la inversa del perodo o nmero de longitudes de onda quese produce en la unidad de tiempo (segundo).



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Existe una gran variedad de ondas electromagnticas que difieren en su longitud de onda y,en consecuencia en su frecuencia (puesto que la velocidad de la luz, considerada en el vaco, esconstante). Entre las ondas electromagnticas ms conocidas se encuentran la luz visibleproveniente del Sol, las ondas de radio, los rayos X, la luz ultravioleta, las ondas de radio, lasmicroondas, etc. .

Al conjunto de todas las ondas electromagnticas se lo conoce como espectroelectromagntico (Figura 6.4) el cual abarca a todos los tipos, desde longitudes pequeas (comolos rayos X o la luz visible), hasta las ms grandes, entre las cuales se encuentran las ondas deradio.

Figura 6.4 Espectro electromagntico

Dentro del espectro existen porciones que presentan comportamiento similar, cada una delas cuales se denomina banda. Entre las ms frecuentes empleadas en Teledeteccin seencuentran:

Espectro visible (0.4 a 0.7 m) , que generalmente se lo separa en tres bandas: rojo,verde y azul

Infrarrojo cercano o fotogrfico (0.7 a 1.2 m)

Infrarrojo medio (1.3 a 8 m)

Infrarrojo lejano y trmico (8 a 100 m)

Micro ondas (> mm)4.

4Especialmente utilizadas en sensores activos tipo RADAR que trabajan con ondas de longitud centimtrica.


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1.2 Factores que distorsionan el comportamiento de la energa

electromagntica

La presencia de la atmsfera modifica el supuesto terico de la propagacin de las ondaselectromagnticas en el vaco y altera significativamente la calidad de las imgenes. Al igual queluego de un da de lluvia la visin del paisaje es ms clara, lo que demuestra la presencia de laatmsfera y sus partculas en suspensin, la atmsfera entre la fuente y el sensor opera como unpoderoso filtro en los caminos de ida y vuelta de la energa electromagntica. Los dos principalesefectos son: absorcin y dispersin atmosfrica.

La dispersin de la radiacin electromagntica es causada por la interaccin entre esta y

las partculas atmosfricas en suspensin, cuya presencia puede ser constante (oxgeno y el dixidode carbono) o variable (partculas de polvo provocadas por el viento u otros gases provenientes dela produccin industrial).

La absorcin de la atmsfera funciona como un filtro que impide la transmisin de lasondas electromagnticas a ciertas frecuencias. La consecuencia de la absorcin atmosfrica es tanimportante que solo permite la utilizacin de parte del espectro de ondas emitidas por el sol. Luego,el diseo de los sensores se limita a la observacin en estas bandas, tambin llamadas ventanasatmosfricas.

De toda la energa que incide sobre un objeto se cumple que la proporcin del flujoincidente reflejado, absorbido y transmitido depende de la superficie y la materia que lo compone.Adems se puede demostrar que la proporcionalidad vara con la longitud de onda y estacaracterstica es conocida como firma espectral (Figura 6.5).

Figura 6.5 Interaccion de la radiacin con la materia



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La firma espectral consiste en valorar el hecho de que diferentes objetos de la superficieterrestre se caracterizan por una reflectancia especfica, propia de cada uno de ellos. Estareflectancia depende de su composicin qumica y su estructura fsica. La teledeteccin aprovechaesta propiedad especfica para lograr identificar los diferentes objetos del terreno.

La Figura 6.6 muestra algunos ejemplos de firmas espectrales a partir de las cuales sepuede entender y comprobar, entre otras cosas, porqu la vegetacin es predominantemente verdeal analizar su reflectancia en el espectro visible y su alta reflectividad en el infrarrojo cercano (degran importancia en los estudios de cultivos). Tambin se puede ver que el agua no refleja elinfrarrojo (apareciendo negra en las imgenes infrarrojas) y que los suelos son principalmenterojizos o pardos.

Figura 6.6 Firmas espectrales

Algunos inconvenientes que se presentan en la utilizacin del concepto de la firma espectral

son:

que la reflexin producida depende de la forma de estos objetos, del ngulo de toma de laimagen y la elevacin solar. Estos factores pueden maximizar o tambin minimizar lacalidad de la seal recibida.

la vecindad radiomtrica muy estrecha entre algunos objetos geogrficos. Factor quepuede llevar a firmas espectrales intermedias segn la resolucin espacial de la imagen.


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los parmetros propios de los satlites durante la toma: la hora, la incidencia del ngulodel emisor de energa (Sol) con la Tierra segn la estacin del ao entre otros, estn lejosde ser factores marginales y sus grados de incidencia son variables en funcin de losestudios a realizar.

Buscar firmas espectrales de los diferentes objetos geogrficos de inters parece unejercicio difcil pero no del todo imposible. Una de las herramientas ms importantes disponiblespara resolver este tipo de inconvenientes es la corroboracin a campo del valor espectral que seobtiene en la imagen llegando al lugar con un sistema de posicionamiento global.

2 Sensores RemotosAl definir Teledeteccin espacial como el rea que estudia las tcnicas que permiten

adquirir imgenes de la superficie terrestre desde sensores instalados en plataformas espaciales(satlites), se supone que entre los objetos y el sensor existe una interaccin energtica, sea poremisin propia o por reflexin de la energa solar o de un haz energtico artificial.

Se denomina satlite a todo cuerpo que gira alrededor de una rbita alrededor de unamasa mayor y no necesita motor o impulsin propia, se mueve impulsado por las leyes degravitacin.

Existen bsicamente dos tipos de satlites: los naturales, como por ejemplo la Luna girandoalrededor de la Tierra y los artificiales, propios de la obra del hombre. Los satlites artificiales tienendiferentes fines: comunicacin, localizacin y navegacin (como los satlites del GPS), estudios

cientficos y observacin de la Tierra.Un aspecto muy importante que caracteriza a los satlites es su rbita. En los satlites de

observacin la altura de la rbita define el rea de levantamiento, encontrndose en general entre700 y 1000 kilmetros de altitud. El tiempo y la velocidad que utilizan para realizar una rbitacompleta es otra de las caractersticas, determinando la capacidad de volver a ubicarse sobre elmismo punto (re-visita). Otra caracterstica importante es la posicin de la rbita (inclinacin sobre elplano del Ecuador) con respecto a la Tierra.

Existen tambin los satlites geoestacionarios, son aquellos que su rbita esta en el planodel ecuador y mantienen la misma velocidad angular que la Tierra para lo cual orbitan a 36.000 kmde altura. Son de baja resolucin pero tienen la ventaja de ver una gran rea del planeta. Lossatlites geoestacionarios son ideales para las comunicaciones y para fines meteorolgicos(Metosat, Goes1 y 2, etc.)

En satlites para observacin terrena se usan en general rbitas cuasi polares yheliosincrnicas (el plano de la rbita contiene al sol garantizando igual iluminacin para todas lasimgenes). La rbita y su inclinacin en combinacin con la rotacin de la Tierra determinan sutraza o pista. La repeticin de la traza luego de un nmero especfico de das permite la toma deimgenes con determinados patrones de cubrimiento.



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2.1 Sensores activos y pasivos

La principal forma de clasificar los sensores remotos es la que considera el origen delemisor de la energa. En este sentido existen dos tipos:

Son sensores activos (Figura 6.7 - a) aquellos que tienen la capacidad de emitir un hazde energa que posteriormente recogen tras su reflexin sobre la superficie de los objetosque pretende observar. El equipo ms comn es el RADAR que trabaja en la banda de lasmicroondas y su importancia radica en que no es afectado por las condiciones climticas.

Los sensores pasivos (Figura 6.7 - b) se limitan a recoger la energa electromagnticaprocedente de los objetos, sea sta reflejo de los rayos solares o emitida en virtud de su

propia temperatura. Dentro de sta categora cabe una segunda clasificacin: los sensoresdebarrido (scanners) donde un espejo mvil permite explorar una

franja del terreno a ambos lados de la traza del satlite. La radiancia recibida porste componente ptico, se dirige a una serie de detectores que la amplifican y laconvierten en una seal digital. Los ms utilizados han sido los incluidos en losprogramas LANDSAT (MSS, Multi Spectral Scanner y TM, Thematic Mapper), yTIROS-NOAA (AVHRR, Advanced Very High Resolution Radiometer).

los sensoresdeempuje (pushbroom) en los que se elimina el espejo oscilante aldisponer de una cadena de detectores que cubre todo el campo de visin delsensor. Estn incorporados a varios proyectos como en el caso del satlite francsSPOT y del indio IRS-1.

Figura 6.7 Sensores Activo (a) y Pasivo (b)

Entre los satlites ms usados en teledeteccin encontramos los sistemas LandSat, SPOT,NOAA, Ikonos, QuickBird cuyas caractersticas principales se describen a continuacin.



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2.1.1 Landsat

El sistema Landsat, de origen norteamericano, es el sistema ms conocido, productivo y elprimero usado exclusivamente para la observacin de los recursos terrestres. Este programa en suorigen fue denominado ERTS ( Earth Resource Technology Satellite), es operado actualmente porel EROS Data Center del USA Geological Service. El primer satlite del sistema fue puesto en rbitael 23 de Julio del ao 1972 y desde esa poca han sido 7 los satlites de la serie. El Landsat 6 nopudo ser puesto en rbita. Estn operacionales Landsat 5 y el ltimo Landsat 7 fue lanzado en Abrilde 1999, del cual se reciben imgenes con algunas dificultades en la actualidad debido a la roturade uno de sus sensores.

Los satlites Landsat han usado y usan distintos tipos de sensores multiespectrales de

barrido ptico electrnico. El primero es el Multi-Spectral Scanner (MSS) de 80 metros deresolucin, que adquiere imgenes en las bandas azul, verde, rojo e infrarrojo cercano. El segundosensor es Thematic Mapper, de 30 (28,5 metros efectivos) metros de resolucin, que recoge datosen siete bandas: azul, verde, rojo, infrarrojo cercano, dos infrarrojos medios y un infrarrojo trmico. Apartir de Landsat 7, se posibilit recibir una banda pancromtica de una resolucin de 15 metros.Los satlites Landsat operan en una rbita cuasi polar a una altura media de 918 Km. El satliterealiza un recorrido de una vuelta a la Tierra cada 103 minutos completando 14 rbitas por da conun desplazamiento orbital de unos 37 Km. De esta forma cubre la misma zona del planeta cada 16das.

Las imgenes Landsat cubren una superficie de aproximadamente 180 por 180 kilmetros.

2.1.2 SPOT

El sistema SPOT (Systeme pour LObservation de la Terre) es de origen francs encolaboracin con Suecia y Blgica y opera desde 1984. Una caracterstica particular de este satlitees su capacidad de visada lateral que permite mayor continuidad de observacin temporal y lavisin estereoscpica por medio de la asociacin de imgenes de dos tomas en rbitas distintas. Elsatlite opera en rbita cuasi polar a 832 Km sobre la tierra.

Los satlites SPOT llevan dos sensores de tipo pushbroom denominados High ResolutionVisible (HRV), que operan en modo pancromtico y multiespectral. En modo pancromtico laresolucin espacial es de 10 metros y en modo multiespectral es de 20 metros. A partir del 2002 elsistema SPOT ha incorporado el denominado sistema SPOT 4, con resoluciones de 10 y 2,4 metrosrespectivamente. En la actualidad se encuentra en rbita el Spot-5 con resolucin espacial(pancromtica) variable entre 2.5 mts. y 5 mts, as como una resolucin en modo multiespectral conpxel de 10 mts.

Las imgenes SPOT cubren una superficie de aproximadamente 60 por 60 kilmetros.

2.1.3 NOAA

Estos satlites, de principal uso en monitoreo meteorolgico, estudios oceanogrficos, y /oestudios de carcter regional son de origen norteamericano y son operados por U.S. NationalOceanic and Atmospheric Administration (NOAA). La resolucin espacial del sensor que utiliza esde 1,1 Km y se usan principalmente para estudios de reas extensas, tienen una alta resolucin



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temporal y un amplio cubrimiento espacial. Estos satlites son de rbita casi polar, se desarrollan auna altura de 805 km.

2.1.4 Ikonos y Quick Bird

El satlite Ikonos es de origen americano y fue lanzado por primera vez en el ao 1999. Sonel primer emprendimiento de origen privado (Space Imaging Corporation) para la captura ydistribucin de imgenes de alta resolucin. El QuickBird en el ao 2001, tambin es unemprendimiento privado de la empresa Digital Globe, empresa de origen americano que lanz elsatlite. Ambos compiten hoy por el mercado de imgenes de alta resolucin.

2.2 Resoluciones

Se denomina resolucin de un sistema sensor a la capacidad de registrar, discriminandoinformacin en detalle. La resolucin de un sensor depende del efecto combinado de todas suspartes. El concepto de resolucin implica al menos cuatro manifestaciones:

Resolucin Espacial: est dada por el tamao del monoelemento de imagen o pxel(que designa la proyeccin del detector individual sobre la superficie terrestre). Tiene unpapel protagnico en la interpretacin de la imagen ya que marca el nivel de detalle queofrece. El objeto ms pequeo que pueda detectarse depender no slo del tamao delpxel sino de su reflectividad.

Resolucin Espectral: indica el nmero y ancho de las bandas que puede discriminar elsensor.

Resolucin Radiomtrica: se refiere a la sensibilidad del sensor, a su capacidad paradetectar variaciones en la radiancia espectral que recibe

Resolucin Temporal: es la frecuencia de cobertura del sensor, en otras palabras, laperiodicidad con la que ste adquiere imgenes de la misma porcin de superficie.

En el siguiente Cuadro 2 es un resumen comparativo de las resoluciones de diferentessatlites y sensores remotos.


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Cuadro 2 Resoluciones de diferentes satlites y sensores remotosSatlite Sensor Resolucin

EspacialResolucinEspectral

ResolucinTemporal

LANDSAT 5 MSS 75 m 4 bandas 16 das

TM 30m 7 bandas 16 das

LANDSAT 7 ETM+ (Multiespectral) 30 m 7 bandas 16 das

ETM+ (Pancro) 15m 1banda 16 das

SPOT Multiespectral 20m

10m (SPOT 5)

4 bandas 26 das

Pancro 10m

5m (SPOT 5)

1 banda 26 das

NOAA AVHRR 1.1 Km. 5 bandas 12 horas

4 Km. 2 bandas 12 horas

Ikonos Multiespectral 4 m 4 bandas 2 das

Pancro 1 m 1 bandas 2 das

QuickBird Multiespectral 2,50 m 4 Bandas 1-4 das

Pancro 0,61 m 1 Bandas 1-4 das

No se puede dejar de mencionar otros satlites importantes para la observacin de la Tierratales como el EROS A de Israel (pxel 1.80m), IRS de la India (pxel 5.80m), JERS de Japn (pxel18x24m), Orb-View, Formosat (pxel 2m), Terra (equipo Aster pxel 15m). el SAC-C argentino(pxel 35m, montado en un satlite de USA) y el C-BERS chino brasilero (pxel 20m), y lossatlites de radar RadarSat de Canad, ERS (Agencia Espacial Europea) y la serie SIR A, B, C deUSA

3 Imgenes satelitales

Una imagen satelital puede estar compuesta por mas de una imagen, cada una de lascuales corresponde a una banda espectral (Figura 6.8). Por este motivo se dice que la imagensatelital tiene una tercera dimensin: las bandas espectrales



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Figura 6.8 Estructura de las imgenes satelitales

M

N

pixel

Banda 1

Banda 2

Banda 3

Los formatos de entrega dependen del sistema (LandSat, SPOT, etc.) y del producto

adquirido, Anteriormente se utilizaba en gran medida la cinta magntica como medio dealmacenamiento debido al gran tamao de los archivos (10 kilmetros cuadrados de imagen Ikonoscorresponden a aproximadamente 1GB mientras que una imagen Landsat ocupa aproximadamente350 Mb), pero hoy se suministran normalmente en CD.

En los proyectos que utilizan imgenes satelitales, mas importante que saber cual es elsoporte fsico en que sern almacenadas es saber cual es el tamao que ocupan. Todos los datosen computacin se encuentran en formato binario, la unidad bsica es un bit, el cual posee dosvalores posibles 0 1 (on u off respectivamente). Un conjunto de bits, sin embargo, puederepresentar muchos ms valores, dependiendo del nmero de bits utilizados. El nmero de valoresque pueden ser expresados por un conjunto de bits es 2 a la ensima (2

n), siendo n el nmero de

bits utilizados. Un byte, corresponde a 8 bits de datos y generalmente el tamao de los archivos y elespacio en disco estn referidos al nmero de bytes. Por ejemplo, una computadora puede tener640 kilobytes (1,024 bytes = 1 kilobyte) de memoria RAM (Random Access Memory), o un archivopuede necesitar 55,698 bytes de espacio en disco. Un megabyte (Mb) son casi un milln de bytes, yun gigabyte (Gb) son alrededor de un billn de bytes.

Para calcular el espacio en disco que ocupar una imagen raster convencional, se puedeutilizar la siguiente frmula:

Tamao del archivo de salida = [((x.y.b).n)] . 1.2



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donde: y= nmero de filas,x= nmero de columnas, n = nmero de bandas, b = nmero debytes por pixel, siendo que el nmero de bites por pxel es: 0,5 (para datos de 4bit), 1 (para datos de8bit) y 2 (para datos de 16bit).

El factor 1.2 agrega un 10% al tamao del archivo por las capas piramidales (forma demanejar los zoom que permiten una visualizacin en pantalla ms rpida de la imagen) y otro 10%para miscelneos como histogramas, tablas de especificaciones internas, etc.

4 Procesamiento de imgenes

El procesamiento de imgenes comprende varios tratamientos que pueden ser aplicadossobre las imgenes, cada uno de los cuales tiene como objetivo destacar determinadascaractersticas. Para cada tratamiento, normalmente, se genera una nueva imagen la cual puede serutilizada para interpretacin con ventajas.

4.1 Correcciones radiomtricas

El valor radiomtrico registrado en cada pixel es la resultante de la energa reflejada la cuales influenciada por la curvatura de la tierra y por el relieve, las imprecisiones del sensor, laatenuacin atmosfrica o dispersin de la energa reflejada, entre otros.

Las correcciones radiomtricas tratan de minimizar las influencias de estos factores y paraello utilizan modelos de correccin que modifican el valor de los pixeles. Las correcciones pueden

aplicarse en toda la imagen o en parte de ella.

4.1.1 Realces

Los realces (enhancement) buscan un mejoramiento visual de la imagen y puedenrealizarse de varias formas, aplicndolos en cada banda o en toda la imagen. El objetivo final delrealce es obtener una nueva imagen que facilite la identificacin de ciertos rasgos de inters ypermita delimitarlos con la mayor precisin posible dentro de las limitaciones de la resolucinespacial.

Al visualizar una imagen uno de los elementos ms importantes es que la misma tenga brilloy contraste adecuados. Los procesos de ajuste de contraste tienden a adaptar la resolucinradiomtrica de la imagen (cantidad de colores) a la capacidad de visualizacin del monitor. Existe

buen contraste cuando los colores que intervienen no tienen componentes en comn y cada colortiende a sobresalir. Por el contrario, se puede buscar una armona cromtica al lograr que loscolores tengan componentes en comn, cambiando las tonalidades de los mismos y hacindolassemejantes.

La Figura 6.9 muestra que el rango entre j y k en el histograma de los datos originales escasi un tercio del total. Cuando los mismos datos son mejorados radiomtricamente, el rango entre


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j y k se ha agrandado, por ello, los pxeles en esta zona ganaron contraste, ya que es ms fcilde distinguir diferentes valores de brillo en ellos.

Sin embargo, los pixeles fuera del rango predeterminado se han agrupado an ms que enlos datos originales para compensar la diferencia entre los valores entre j y k por lo que se haperdido contraste entre pixeles de los intervalos (0 - j) y (k 255).

Figura 6.9 Efectos del Realce5

Cuando se trabaja con imgenes multiespectrales se pueden utilizar diferentescombinaciones de bandas para resaltar diferentes objetos de la realidad. Si por ejemplo las bandasson:

Banda 1: Azul

Banda 2: Verde

Banda 3: Rojo

Banda 4: Infrarrojo

la combinacin RGB 321 genera una imagen color natural (como si fuese una aerofotografa),mientras que la combinacin en RGB 432 (red, green, blue) genera una imagen muy til pararesaltar la cubierta vegetal.

Otra forma de realzar la imagen es a travs de la aplicacin de filtros, los cuales tienencomo principal caracterstica suprimir o destacar determinados detalles a fin de mejorar el anlisis

visual. Los ms utilizados son aquellos que resaltan los bordes y los que disminuyen los patrones deruidoen la imagen.

Hay que tener en cuenta que al aplicar un filtro sobre una imagen se est modificando elvalor original de cada pxel de acuerdo a los valores de los pxeles que lo rodean. Esto implica una

5Adaptado de ERDAS Field Guide,ERDAS Inc.,England, 1996.


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prdida en la integridad de los datos originales razn por la cual normalmente se genera una nuevaimagen con la imagen filtrada.

Bsicamente existen dos tipos de filtros:

de paso bajo(low pass filter), que acentan los detalles de baja frecuencia para suavizar(smoothing) los ruidos y reducir picos de radiacin y

de paso alto(high pass filter), que enfatizan los detalles de alta frecuencia para realzarrasgos sin modificar las proporciones de la imagen de baja frecuencia, remarcado(sharpening) ciertos detalles.

de deteccin de bordes(edge detect), que enfatizan los bordes que rodean elementos

de igual valor radiomtrico, dejando los valores internos en colores oscuros y los bordesen claros. Estos filtros permites destacar claramente lmites o permetros de elementos yen el rea urbana son ventajosos para detectar en imgenes de alta resolucin lmites delas construcciones, bordes de vereda y manzana, entre otros.

4.2 Correcciones geomtricas

Las imgenes de satlite originales no cumplen con las caractersticas geomtricas propiasde un mapa o carta pues el punto de vista del no esta en el infinito (aunque las alturas de obtencinson superiores a las de alturas de toma de las fotografas areas) razn por la solamente un nicorayo de energa electromagntica es ortogonal a la superficie del terreno, existiendo distrorsiones enla enorme mayora.

Las correcciones geomtricas o modificaciones de proyeccin de una imagen permitenrealizar los cambios necesarios para que los datos puedan ser utilizados en cartografa y consistenbsicamente en la identificacin y posicionamiento de los elementos muestrales en la imagen y en elterreno (o en otra imagen o carta georeferenciadas). Un aplicativo especfico (normalmente incorporadoa los SIG) transforma el sistema de coordenadas de la imagen original para el sistema degeoreferenciamiento estipulado por el usuario.

Las distorsiones geomtricas resultan de efectos internos (relacionados a los sensores) oexternos (relativos a la posicin de la plataforma de toma). De acuerdo a ello los factores que influyenen la falta de geometra de la imagen cruda pueden dividirse en dos tipos; fuentes de distorsionesgeomtricas internas y externas.

Las distorsiones internas son causadas por imperfecciones de las lentes, lecturas no linealesdel barredor o falta de linealidad en el movimiento en el espejo (en el caso de receptores de barrido de

estado slido).

Las distorsiones externas son producidas por las variaciones en la actitud de la plataforma(rolido, cabeceo, deriva), altitud, y efectos de la escena como rotacin y curvatura de la Tierra. Laproyeccin utilizada para representar en forma plana a la superficie terrestre, tal como la ProyeccinTransversa Universal de Mercator - UTM (Universal Transversal Mercator) es consideradafrecuentemente como parte de las compensaciones de distorsiones externas.


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En ese contexto, para corregir los datos digitales de los sensores deben determinarse loserrores internos y externos. Cuando los parmetros son conocidos pueden desarrollarse una funsinque permita corregir los datos originales mediante la determinacin de la geometra externa a partir deprecisas mediciones de la actitud de la plataforma o de informacin de la imagen.

Puntos de control medidos en el terreno se usan para proveer informacin geomtrica externaprecisa. Los puntos de control son objetos naturales o artificiales identificados en la imagen y en elterreno, de los cuales se conocen su posicin planialtimtrica con precisin. La buena distribucin ycorrecta medicin de un nmero siganificativo de puntos de control en la escena determina la calidadgeomtrica de la imagen corregida.

En el proceso de transformacin el dato de entrada es una imagen que representa una

proyeccin perspectiva geomtricamente distorsionada de la superficie terrestre. La salida es unaimagen en proyeccin geomtricamente corregida de la misma rea.

4.3 Georreferenciacin

La georreferenciacin se refiere al proceso de asignar coordenadas especficas de unsistema de referencia de coordenadas de ubicacin geogrfica a una imagen. Las imgenes puedenya contener una proyeccin al plano deseada, pero no necesariamente estar referenciada a unsistema de coordenadas apropiado.

La rectificacin es un proceso que incluye la georreferenciacin ya que todos los sistemasde proyeccin estn asociados a un sistema de coordenadas. La georreferenciacin por si solaincluye el cambio de la informacin sobre las coordenadas en la imagen, por lo que la grilla raster de

la imagen y su identidad no se ve afectada por ninguna modificacin.

Un sistema de coordenadas que posea latitud y longitud no estar asociado a un sistemaproyeccin de un mapa puesto que expresa ubicaciones sobre un esferoide y no sobre un plano.Por este motivo generalmente no se rectifica una imagen a un sistema de coordenadas geogrficasde latitud y longitud.

La rectificacin es necesaria en los casos en que la grilla de pxeles deba ser modificadapara encajar en un sistema de coordenadas planas determinado. Hay distintas razones pararectificar y entre ellas pueden mencionarse la necesidad de:

comparar los mismos pixeles de imgenes diferentes para detectar cambios,

desarrollar datos GIS basados en la imagen,

superponer la imagen con cartas vectoriales,

realizar mosaicos de imgenes,

realizar cualquier otro anlisis que requiera precisin en su ubicacin geogrfica.

Antes de rectificar los datos, es necesario determinar un sistema de coordenadas y laeleccin depender de que tan grande sea el rea de inters de la imagen, en que lugar de la Tierrase encuentra, como es la forma y orientacin de la imagen, entre otros.


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La rectificacin solamente es necesaria si existe algn tipo de distorsin en la imagen. As,en imgenes provenientes de mapas papel escaneados o digitalizados no necesitaran serrectificados ya que de por si ya son planos (a menos que se haya rotado o inclinado). Este tipo deimgenes solamente necesita ser georreferenciada ya que no poseen un sistema de coordenadasasociado, proceso que es mucho ms simple y puede ser llevado a cabo con el slo conocimientode la coordenada de una de las esquinas de la imagen y el rea o tamao que representa cadapxel. La Figura 6.10 muestra el resultado de una georeferenciacin.

Figura 6.10 Georeferenciacin de imgenes

Al rectificar pueden surgir problemas ya que los valores radiomtricos de cada pxel debenser re localizados en una nueva grilla de filas y columnas de pxeles. Sin embargo, existen ciertosalgoritmos para calcular esos valores en forma ms que confiable (aunque puede existir ciertaprdida de integridad espectral). Esto significa que una imagen no rectificada es ms correctaespectralmente.


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Las tcnicas que han sido reseadas, son propias de disciplinas especficas y estudiosadecuados y deben ser realizadas con una cuidada planificacin y ejecucin por profesionalesespecialmente entrenados en la confeccin de cartografa digital.

Probablemente, la ms adecuada y usada de las aplicaciones de las imgenes en cuanto acartografa y catastro de las imgenes a nivel urbano es la actualizacin cartogrfica. La imagensatelital, en forma econmica y eficiente permite en comparacin con otras imgenes o concartografa en formato digital anterior detectar los cambios producidos en el terreno. Es sumamentetil para detectar ampliaciones de construcciones no declaradas, construcciones nuevas, cambiosen general. A partir de la identificacin en la imagen se puede dirigir acciones especficas delevantamiento topogrfico clsico para la incorporacin a la cartografa.

6 Cartografa y Explotacin semntica

6.1 Utilizacin de la Teledeteccin para la confeccin de Cartografa

Urbana

6.1.1 Escalas cartogrficas y vinculacin con la resolucin espacial de las imgenes

La teledeteccin comprende a la fotogrametra y a las imgenes obtenidas por satlites.Cabe destacar que los desarrollos principales de la fotogrametra estn dirigidos a la confeccin decartografa como mtodo alternativo econmico y que reemplaza efectivamente a la Topografaclsica de visita directa al terreno.

La Fotogrametra es til, del punto de vista econmico, cuando se puede aplicar a un uso

extensivo donde puede haber una economa de escala en comparacin a los costos de laTopografa clsica. En general no se usa para el mantenimiento de datos, tarea que es convenienterealizarla da a da, con mtodos topogrficos tradicionales.

No podemos dejar de mencionar a la Fotointerpretacin, que si bien usa o puede usar elmismo material fotogrfico y algunos conceptos comunes, tiene un cuerpo de conocimientosdiferente y propio y constituye en s mismo otra especialidad.

La Fotointerpretacin est basada, como dijimos anteriormente, en la explotacin semnticade los documentos fotogrficos obtenidos por cmaras areas (y ahora, adems, por imgenesdigitales adquiridas desde satlites). Su desarrollo y origen est y estuvo ligado ntimamente a losestudios estratgicos y tcticos propios de las confrontaciones blicas. A partir de la mayorresolucin de las imgenes de satlite, se extiende el campo de la fotointerpretacin al materialproveniente de satlites.


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6.1.2 Escalas de utilizacin de las diferentes tcnicas

En el siguiente cuadro tratamos de establecer los campos de utilidad de la topografaclsica, la fotogrametra y la teledeteccin satelital en cuanto a las escalas de trabajo de losdocumentos cartogrficos buscados como resultado. Tambin describimos aquellas zonas deutilidad para el trabajo en ambiente urbano.

Mtodos posibles Escalas Erroradmisible

Sensor Observaciones

Teledeteccin 1:100.000 20 a 30 mts. ImgenesLandsat

(30 m)

Fotogrametra

Teledeteccin

1: 50.000 10 a 15 mts. Imgenes SPOT(20m) ypancromticaLandsat (15m)

Seleccin por precio,extensin de la zona detrabajo u otros factores

FotogrametraTeledeteccinTopografa Clsica

1: 25.000 5 a 7,5 mts. Imgenes SPOTpancromticas(10 m). Ikonos(4m)

Seleccin por precio yextensin de la zona detrabajo u otros factores


1: 10.000 2 a 3 mts.Ikonos (1 m)

QuickBird(0.64m)

Seleccin por precio yextensin de la zonade trabajo u otrofactores


1: 5.000 1 a 2 mts. Ikonos ( 1 m)

QuickBird(0.64m)

Seleccin por precio yextensin de la zonade trabajo u otrosfactores.

LmitedelaTeledeteccin

??

FotogrametraTopografa Clsica

1: 2.000 0,4 a 0,6 mts. Seleccin por precio yextensin zona de trabajo uotros factores

FotogrametraTopografa Clsica

1: 1.000 0,2 a 0,3 mts. Seleccin por precio yextensin zona de trabajo uotros factores

Fotogrametra

Topografa Clsica

1: 500 0,1 a 0,15 Lmite de la Fotogrametra

Topografa Clsica 1: 250 0, 05 a 0,075



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El planteo del aprovechamiento lmite de la teledeteccin en las escalas 1:10000 o 1:5000merece algn comentario:

1. en estas escalas es donde la precisin que interesa para la generacin decartografa ya no es la precisin de posicionamiento del pxel, sino la precisin conque, con ese tamao de pxel, garanticemos la deteccin de todo tipo de detallesde inters para la escala de cartografa que buscamos generar.

2. la detectabilidad de muchos detalles del terreno principalmente alineaciones, comosendas, banquetas, etc. depende de la posicin de stos respecto de la matriz dedetectores, por lo que pueden llegar a desaparecer en casos especiales. Creemos

que ello no traera dificultades en escalas hasta 1:10000.

3. Es por ello que siendo la tendencia el uso cada vez mayor de imgenes satelitalespara la generacin de cartografa 1:5000, tambin se es consciente que debemosestudiar cuidadosamente las caractersticas geomtricas del sistema para saber enqu direcciones su aprovechamiento cumplir las normas de precisin.

4. Tambin cabe aclarar que se est hablando del aprovechamiento planimtrico de lacartografa urbana, dado que para obtener alturas el uso de las imgenes desatlite se est limitando a escalas como 1:25000, con estudios realizados paraescalas mayores.

La zona pintada de amarillo comprenden las escalas cartogrficas de mayor utilidad en elambiente urbano. Las escalas menores a 1:25.000, en la prctica, son utilizadas como planos deubicacin o de referencia para el ambiente urbano.

Notas importantes:

Los valores de la tabla son indicativos. Se debe estar atento a los avances tecnolgicos ylos consecuentes cambios en la resolucin de los sensores.

Se debe tomar en cuenta otros factores (metereolgicos, poca de toma, relievetopogrfico) que suman errores y disminuyen la precisin a los valores de pxel expresados por losproveedores de imgenes.

Queremos destacar que el error admisible que hemos considerado puede ser consideradodistinto para cada pas (en funcin de sus normas cartogrficas). En este cuadro se tom 0,2 mm a0,3 mm como error admisible en el plano.


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6.2 Clasificacin de Imgenes

Una clasificacin multiespectral es el proceso que agrupa pixeles en un nmero finito declases individuales (o categoras de informacin) basado en sus propios valores. Si el valor de unpxel satisface ciertos criterios se le asigna el (nuevo) valor correspondiente a la clase rene loscitados criterios.

La clasificacin se basa en asumir que un fenmeno en la imagen tiene correspondencia enel terreno, es decir que una misma clase de objetos en el terreno tiene caractersticas espectralessimilares (misma firma espectral).

Hay dos aproximaciones para realizar la clasificacin: la clasificacin supervisada y la

clasificacin no supervisada, siendo que en ambos casos el resultado del procesamiento debeser comprobado en el terreno.

En ambos casos el resultado cartogrfico es una nueva imagen que puede ser consideradauna carta temtica en la cual cada clase tiene un valor y un color.

6.2.1 Clasificacin supervisada

La clasificacin supervisada trabaja a partir de datos veraces del terreno obtenidos porobservacin directa, los cuales se usan para determinar los parmetros iniciales usados en laclasificacin. A cada clase a ser cartografiada (agua, areas densamente construidas, espaciosverdes, etc.) se le asigna un nombre y un color. Un especialista trabaja sobre la pantalla del monitore identifica lugares que contienen las clases de objetos buscados y color y marca un pequeo

crculo sobre la imagen. El aplicativo calcula los valores espectrales de cada crculo y a posterioridetermina y busca de forma automtica o manual la misma firma espectral en toda la imagen. Eneste proceso cada pixel de la imagen es clasificado de acuerdo a la probabilidad de pertenencia auna clase en particular. Se pueden aplicar diferentes mtodos estadsticos para asignar valores alos pxeles de las clases, inclusive clasificaciones de contexto que toman en cuenta los valores delos pxeles vecinos.

6.2.2 Clasificacin no supervisada

La clasificacin no supervisada no requiere una visita previa al terreno. Comienza con laaplicacin de un procedimiento matemtico estadstico in-supervisado mediante el cual lacomputadora halla valores de pxel que tienen la misma caracterstica, los clasifica y forma grupos

(clusters). El procedimiento analtico empleado es interactivo y comprende los siguientes cuatropasos:

para cada cluster se le asigna un valor que corresponde a su centro.

cada pxel en una imagen es ubicado dentro del cluster de acuerdo al valor mas cercano

cuando todos los pxeles de una imagen han sido asignados a un cluster, se calculannuevos centros a partir de los pxeles que forman el cluster



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se repiten los pasos 2 y 3.

El proceso para cuando los cluster no tienen cambios significativos entre las sucesivasiteraciones. Los clusters son entonces nombrados y se les asigna un color y a posteriori en elcampo se realizan las observaciones para ajustar los cluster a los fenmenos del terreno.

Luego de la anterior introduccin, ahora nos debe ocupar el role que juegan los SensoresRemotos en la obtencin de informacin para cubrir las necesidades anteriores. Bsicamenteinterpretamos que entran en juego en dos aspectos o reas principales en que se desarrolla lainformacin sobre el territorio.

1) La utilizacin de las imgenes (fotogramtricas o satelitales) para elaborar y/o actualizar lacartografa.

2) El uso de las imgenes para la explotacin semntica (interpretativa) de la imagen.

La clasificacin anterior es clara y conocida en trminos de las imgenes fotogrficas. Laexplotacin de las imgenes fotogrficas para la construccin de cartografa es el campo de laFotogrametra y la explotacin semntica es el campo de la Fotointerpretacin.

Hasta ahora Fotogrametra y Fotointerpretacin en base a fotografas convencionales erantcnicas excluyentes para cubrir las necesidades de detalle propia de la informacin urbana. Encontraposicin; el uso de las imgenes quedaba relegado al uso rural o a escalas grficas pequeasde uso en estudios regionales.

Con la disponibilidad de las imgenes de satlite de alta resolucin, el uso de imgenespara la construccin de informacin urbana nos abre un nuevo panorama que debemos investigar ydesarrollar.

Al igual que su hermanas: la Fotogrametra y la Fotointerpretacin, los fines a perseguir sonlos mismos: la posibilidad de realizar Cartografa y la explotacin semntica de las imgenes.

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