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Teledetección: Humedales y Espacios Protegidos. XVI Congreso de la Asociación Española de Teledetección.
(Eds. J. Bustamante, R. Díaz-Delgado, D. Aragonés, I. Afán y D. García). pp. 273-276. Sevilla 21-23 octubre 2015
Efecto de errores en el co-registro entre MDT e imagen de satélite en la calidad de
la corrección topográfica
Ion Sola, Mikel Lizarraga, María González-Audícana y Jesús Álvarez-Mozos
Dpto. de Proyectos e Ingeniería Rural. ETSIA. Universidad Pública de Navarra. Edificio de Los Olivos.
Campus Arrosadía s/n 31006 Pamplona. Tel. 948168401 Fax 948169169, e-mail: [email protected]
Resumen: Los métodos de corrección del efecto topográfico en imágenes de satélite requieren disponer de un MDT de
la zona a corregir a partir del cual determinar las condiciones de iluminación de cada píxel de la imagen. En este trabajo
se analiza tanto cualitativa como cuantitativamente, el efecto de los errores de co-registro entre MDT e imagen de satélite
en la calidad de la corrección topográfica. Para ello se han empleado imágenes sintéticas, generadas para un área del
Pirineo Navarro a partir de una imagen de reflectividades y un MDT de la zona, de modo que las primeras están
perfectamente co-registradas con el MDT que se empleará para la corrección. Los resultados de la corrección topográfica
obtenidos empleando este MDT se compararán con los obtenidos al corregir las imágenes sintéticas con MDTs a los que
se ha introducido una serie de desplazamientos en los ejes X e Y, para posteriormente medir la pérdida de calidad de la
corrección producida por estos desplazamientos.
Palabras clave: incorrecto co-registro, corrección topográfica, imagen sintética, MDT
Effect of co-registration errors between DEM and satellite image in the quality of topographic
correction
Abstract: Topographic correction methods of satellite images usually require a DEM of the study area from which
illumination conditions of each pixel of the image are derived. In this work a qualitative and quantitative evaluation of
the effect of co-registration errors between DEM and satellite image on the quality of the topographic correction is carried
out. For that purpose, synthetic images over the area of the Pyrenees in the region of Navarre (Spain) were generated
from an image of land-covers’ reflectance and a DEM of the area, so the former are perfectly co-registered with the DEM
used in the topographic correction. The results of the topographic correction using this DEM will be compared with those
obtained by correcting synthetic images with DEM where several displacements in X and Y axis were introduced, for the
subsequent measurement of the decrease in quality of the correction produced by this displacement.
Keywords: co-registration errors, topographic correction, synthetic image, DEM
1.
INTRODUCCIÓN
La disponibilidad de imágenes captadas por sensores
remotos ha aumentado de forma exponencial en los
últimos años y de forma asociada, las aplicaciones de
estas imágenes en el ámbito agrícola, forestal, urbano o
ambiental. Para poder extraer de éstas información
precisa y fiable es necesario tratarlas previamente, con el
fin de eliminar o minimizar las distorsiones asociadas al
propio proceso de adquisición.
En concreto, la corrección topográfica o corrección del
sombreado topográfico tiene por objeto minimizar el
efecto que el relieve o topografía del terreno ejerce en la
irradiancia solar que llega hasta cada punto de la
superficie terrestre, y por lo tanto, en la radiancia que
detecta un sensor remoto.
La mayor parte de los métodos de corrección topográfica
(TOC) incluyen en su formulación el cómputo del coseno
del ángulo de iluminación, cos(γi), de cada píxel de la
imagen a corregir. Para calcular este cos(γi) es necesario
conocer la pendiente y orientación de cada pixel, por lo
que hay que partir de un modelo digital del terreno
(MDT) que tiene que superponerse perfectamente con la
imagen a corregir.
En este trabajo se evalúa cualitativa y cuantitativamente
el error que se comete al corregir topográficamente una
imagen de satélite cuando el co-registro entre ésta y el
MDT utilizado no es perfecto. Con este propósito se
decide trabajar con imágenes sintéticas o simuladas,
generadas empleando el modelo propuesto por Sola et
al., 2014, recientemente validado para imágenes SPOT 5
multiespectrales (Sola et al., 2015). Este modelo, que
permite simular el efecto del relieve en la radiancia que
captaría un sensor remoto, requiere una serie de entradas:
fecha y hora de adquisición (que condicionan los
parámetros solares), las características del sensor
(resolución espacial, espectral, ángulo de observación y
curvas de eficiencia cuántica), una imagen de
reflectividades de la zona así como un MDT de la misma.
Para unas condiciones de adquisición concretas, el
modelo permite generar dos imágenes. En primer lugar,
la que captaría el sensor considerando el relieve real y
que se denomina imagen sintética real (SR), y en segundo
lugar la que captaría si el relieve de la zona fuera
totalmente plano (SH). Esta última se utilizará como
referencia para evaluar la calidad de las correcciones
topográficas.
2.
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MATERIAL Y MÉTODOS
273
Para este análisis se ha simulado una pareja de imágenes
SR y SH con las características del sensor HRG1 de
SPOT 5. En la tabla 1 se muestran los ángulos solares
correspondientes a la configuración de adquisición
considerada.
Tabla 1. Características de la imagen sintética
Parámetros
Valor
Fecha de adquisición
15/02/2009
Hora
10:45
Ángulo acimutal solar (°)
160.37
Ángulo de elevación solar (°)
32.22
2.1. Zona de estudio
La superficie de terreno elegida para generar las
imágenes sintéticas o simuladas es una zona montañosa
del norte de Navarra con una extensión de 15 x 15km.,
caracterizada por un relieve pronunciado, con diferencias
de cota de más de 1.000 m entre los fondos de valle y las
cumbres de montañas.
2.2. MDTref y MDTs desplazados
Se ha utilizado el MDT de 5m. de resolución espacial que
proporciona el Instituto Geográfico Nacional, generado a
partir del vuelo fotogramétrico de 2008, como referencia
en este trabajo. Este MDT, al que a partir de ahora
denominaremos MDTref, se ha remuestreado a 10m. para
generar la imagen sintética real (SR) a la resolución
espacial de SPOT 5. Esta imagen y el MDTref se
superponen perfectamente puesto que este último se ha
empleado para generar dicha imagen SR.
Como el objeto de este estudio es analizar el efecto que
produce un incorrecto co-registro entre una imagen de
satélite y el MDT que se utiliza como base para corregir
el efecto topográfico de la primera, se decide desplazar el
MDTref uno o varios píxeles en distintas direcciones
(MDTd), considerándose las siguientes posibilidades en
función del número de píxeles y la dirección del
desplazamiento: MDT1X, MDT1Y, MDT1X1Y, MDT2X,
MDT2Y, MDT2X2Y y MDT5X5Y (donde X equivale a la
dirección EO e Y a NS).
Figura 1. Diagrama de la metodología empleada
Por otro lado, se ha partido de los MDT desplazados para
generar las imágenes cos(γi)d que estarán desplazadas 1,
2 o 5 píxeles respecto a la imagen SR a corregir. Como
resultado de dicha corrección se obtienen distintas
imágenes SRcorr,d. En todos los casos, la corrección
topográfica de la imagen SR se lleva a cabo empleando
dos métodos semiempíricos: el C-correction (CC) y el
Estadístico Empírico (EE) (ver tabla 2), propuestos por
Teillet et al., 1982. Ambos métodos se han seleccionado
por los buenos resultados obtenidos por otros autores
(Soenen et al., 2005; Baraldi et al., 2010), así como por
su sencillez de implementación y por ser
conceptualmente distintos entre sí.
Tabla 2. Métodos TOC empleados
TOC
CC
EE
Expresión
𝐿𝑐𝑜𝑟𝑟,𝜆
𝑐𝑜𝑠 𝜗𝑠 + 𝑐𝜆
= 𝐿𝜆
𝑐𝑜𝑠 𝛾𝑖 + 𝑐𝜆
𝐿𝑐𝑜𝑟𝑟,𝜆 = 𝐿𝜆 − (𝐴 𝑐𝑜𝑠 𝛾𝑖 + 𝐵) + 𝐿̅𝜆
Autores
Teillet et
al., 1982
Teillet et
al., 1982
2.3. Metodología
2.4. Evaluación de la calidad de las correcciones
En la figura 1 se muestra un esquema del procedimiento
seguido para analizar el efecto del incorrecto co-registro
entre imagen a corregir topográficamente y MDT. Por un
lado, se ha partido del MDTref para generar, teniendo en
cuenta los ángulos solares, la imagen cos(γi)ref, que define
las condiciones de iluminación de cada píxel en el
momento de adquisición. Esta imagen se utiliza para
corregir topográficamente la imagen sintética real (SR),
obteniéndose una imagen SRcorr,ref.
En primer lugar se realiza un análisis visual de la
reducción del efecto del sombreado topográfico en la
imagen SRcorr,ref y cada una de las SRcorr,d.
El análisis cuantitativo de la calidad de la corrección
topográfica en cada caso, se lleva a cabo comparando las
imágenes SRcorr,ref y cada una de las SRcorr,d con la imagen
que idealmente habría adquirido el sensor en caso de que
la superficie de la zona a corregir fuera totalmente
horizontal, es decir, comparándolas con la imagen SH.
Para ello, se utiliza el índice de similitud estructural
(SSIM), propuesto por Wang et al., 2004. Tras la
aplicación de dicho índice, implementado según un
algoritmo de ventanas móviles, se genera como resultado
un SSIM medio (MSSIM).
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274
3.
RESULTADOS
En la figura 2 se muestran las imágenes sintéticas SR y
SH generadas para este trabajo:
introducido, así como de la orientación de las laderas y
del ángulo acimutal solar.
(a)
(a)
(b)
Figura 2. Imágenes sintéticas. a) SR. b) SH
3.1. Evaluación cualitativa
En primer lugar se analizan visualmente las imágenes
para determinar, en cada caso, el nivel de reducción de
sombras topográficas tras la corrección. Tanto el método
CC como el EE permiten compensar la diferencia de
radiancia entre las laderas en solana y umbría, dando
lugar en ambos casos a imágenes visualmente muy
parecidas a la imagen SH. No obstante, cuando se
analizan con detalle las imágenes corregidas utilizando
MDT desplazados, se aprecian artefactos lineales en
éstas. En la figura 3.a. se muestra un zoom de la imagen
SRcorr,ref, obtenida mediante el método CC, mientras
que en la 3.b. se muestra la misma zona, corregida con el
mismo método pero partiendo del MDT5x5y. Los errores
de co-registro ocasionan la aparición de artefactos en las
divisorias y vaguadas, es decir, en los lugares donde se
produce un cambio brusco de orientación de ladera. Es
precisamente en estas zonas en las que una incorrecta
definición de las condiciones de iluminación de cada
píxel (cos(γi)) tiene una mayor repercusión, ya que puede
implicar que píxeles en solana parezcan estar en umbría
y a la inversa. La presencia de estos artefactos no está
ligada al método topográfico empleado sino al incorrecto
co-registro entre la imagen y el MDT.
(a)
(b)
Figura 3. Zona de detalle a) Imagen SRcorr,ref a partir de
MDTref b) Imagen SRcorr,d a partir de MDT5x5y
Tal y como se observa en la figura 4, la dirección en el
error de co-registro (considerándolo en este trabajo
constante en toda la imagen) también afecta a la
corrección topográfica. La presencia de artefactos
depende directamente de la dirección del error
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(b)
Figura 4. a) Imagen SRcorr,d a partir de MDT2x b)
Imagen SRcorr,d a partir de MDT2y.
Finalmente, y como era de esperar, la presencia de
artefactos es mayor cuanto mayor es la magnitud del error
de co-registro (figura 5):
(a)
(b)
Figura 5. Zona de detalle a) Imagen SRcorr,d a partir de
MDT2x2y b) Imagen SRcorr,d a partir de MDT5x5y
3.2. Evaluación cuantitativa
Para evaluar cuantitativamente cuánto influye el error de
co-registro entre MDT e imagen en la calidad de la
corrección topográfica, las imágenes SRcorr,ref y
SRcorr,d se han comparado con la imagen SH,
empleando el índice MSSIM. Valores de MSSIM
próximos a 1 indican que la similitud entre las imágenes
SR corregidas y SH es máxima y que por lo tanto, el
proceso de corrección ha permitido minimizar el efecto
del relieve en la radiancia que detecta el sensor. En la
figura 6, en trazo azul continuo (método CC) y
discontinuo (método EE), se muestran los valores de
MSSIM obtenidos al corregir la imagen SR con el
MDTref. En todas las bandas, dicho valor está próximo a
1, lo que indica que la corrección ha permitido generar
una imagen muy similar a la SH, es decir, a la imagen que
habría captado el sensor en caso de que la superficie fuera
totalmente plana. No obstante, en general, las bandas del
infrarrojo cercano y medio resultan más sensibles a
errores de co-registro entre imagen y MDT, debido a que
en éstas la influencia del efecto topográfico es mayor,
siendo también más alta la reflectividad de las cubiertas
vegetales, y por lo tanto, también la radiancia que detecta
el sensor. Todo lo anterior afecta negativamente a la
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calidad de la corrección. Como se puede observar en la
misma figura, el índice MSSIM disminuye
considerablemente al utilizar los MDT desplazados. En
este caso particular, en el que el error de co-registro es de
2 píxeles, la reducción de la calidad de la corrección
cuando el desplazamiento se produce en la dirección Y
(NS) es mayor que cuando éste se comete en la dirección
X (EO). Este aspecto depende únicamente de la dirección
en la que predominen los fondos de valle o cimas, puntos
en los que una incorrecta descompensación del efecto del
relieve tiene una repercusión máxima.
Figura 6. Índice MSSIM a partir del MDT de referencia
y MDT desplazados en distintas direcciones
Por último, destacar la escasa diferencia entre los
resultados obtenidos con uno y otro TOC, que evidencian
la mayor importancia del co-registro de MDT e imagen
que de la elección del método TOC.
Figura 7. Índice MSSIM a partir del MDT de referencia
y MDT desplazados distinta magnitud
Al comparar los resultados obtenidos al corregir la
imagen SR a partir de MDT desplazados 1, 2 y 5 píxeles
en ambos ejes (figura 7), se aprecia una pérdida de
calidad a medida que aumenta la magnitud del
desplazamiento. Tomando como referencia el resultado
obtenido al corregir la imagen SR con el MDTref, se
observa una importante reducción del MSSIM cuando el
MDT utilizado en la corrección presenta un error de cohttp://ocs.ebd.csic.es/index.php/AET/2015/schedConf/presentations
registro de 1 píxel en la dirección NS y EO. Cuando este
error aumenta a 2 o 5 píxeles la calidad de la corrección
se reduce aún más, pero no de forma proporcional.
4.
DISCUSIÓN Y CONCLUSIÓN
Los errores de co-registro entre una imagen de satélite y
el MDT que se utiliza para corregirla topográficamente
tienen graves consecuencias en la calidad de dicha
corrección. Una simple evaluación visual de las imágenes
resultantes permite detectar la presencia de artefactos
lineales en las zonas tanto de cerros y divisorias como de
vaguadas y valles cuando la superposición entre ambos
no es perfecta. Esta “mala calidad visual” va acompañada
de una reducción cuantitativa en la calidad de la
corrección, que es mayor cuanto mayor es la magnitud
del error de co-registro.
Este trabajo pone de manifiesto la importancia de un
correcto co-registro entre MDT e imagen de satélite antes
de la corrección topográfica de esta última. Errores
próximos a un pixel, propician la aparición de artefactos
lineales y con ello, una reducción notable de la calidad de
la corrección topográfica. Como se ha mencionado
anteriormente, los resultados obtenidos indican que el
buen ajuste entre MDT e imagen resulta mucho más
importante que el método TOC que se utilice en la
corrección.
5.
BIBLIOGRAFÍA
Sola, I. et al 2014. Synthetic images for evaluating
Topographic
Correction
Algorithms.
IEEE
Transactions on Image Processing 52: 1799-1810.
Sola, I. et al 2015. Validation of a Simplified Model to
Generate Multispectral Synthetic Images. Remote
Sensing 7: 2942-2951.
Teillet, P. M., et al 1982. On the slope-aspect correction
of multispectral scanner data. Canadian Journal of
Remote Sensing 8: 84-106.
Soenen, S.A. et al 2005. SCS+C: A modified sun-canopysensor topographic correction in forested terrain.
IEEE Transactions on Geoscience and Remote
Sensing 43: 2148-2159.
Baraldi, A. et al 2010. Operational Two-Stage Stratified
Topographic Correction of Spaceborne Multispectral
Imagery Employing an Automatic Spectral-RuleBased Decision-Tree Preliminary Classifier. IEEE
Transactions on Geoscience and Remote Sensing 48:
112-146.
Wang, A. C. et al 2004. Image Quality Assessment: From
Error Visibility to Structural Similarity. IEEE
Transactions on Image Processing 13: 600-612.
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