El análisis de imágenes nos ofrece una nueva comprensión de los datos existentes mediante la creación de mapas analíticos que proporcionan información y conocimientos. Estas capas ráster (basadas en celdas) se pueden usar para representar cartográficamente y modelar prácticamente cualquier cosa que suceda sobre la superficie de la Tierra, ya sea agricultura, planificación urbana, hidrología, clima, hábitats naturales y mucho más. La idea central de este capítulo es que los datos de imagen, con su estructura de datos basada en celdas, permiten realizar un análisis sistemático y controlado de una amplia gama de fenómenos en varias capas.
ArcGIS proporciona una plataforma analítica que permite combinar imágenes con otros tipos de informaciones geográficas en modelos analíticos. Es sencillo. Un SIG organiza la información como capas geográficas. A la vez, las escenas de imágenes de la Tierra y los datos de los sensores están accesibles también como capas. ArcGIS proporciona miles de operadores analíticos que pueden generar información estadística, modelar el movimiento y el flujo sobre las superficies, ayudarle a combinar capas para encontrar las áreas más y menos adecuadas para sus actividades, y muchas otras cosas.
Las imágenes proporcionan una fuente de información versátil, una especie de manguera virtual que lleva la información hasta su SIG. A su vez, ArcGIS cuenta con diversos operadores de análisis espacial que le permiten obtener una visión más detallada y profunda de su información. Estas herramientas analíticas le permiten abordar prácticamente cualquier tipo de pregunta, como por ejemplo obtener la señal estadística de sus datos, examinar una secuencia de eventos a lo largo del tiempo y pronosticar y predecir su estado en el futuro. El análisis espacial conlleva identificar y derivar nuevas capas de información para resolver todo tipo de problemas, como encontrar los lugares adecuados para construir, analizar el rendimiento de un negocio o dónde se esconde ese nuevo mercado a plena vista, evaluar y administrar la producción agrícola o monitorizar y pronosticar enfermedades.
Casi cualquier problema al que nos enfrentemos puede beneficiarse de la información analítica proporcionada por ArcGIS. Y las imágenes son siempre una fuente de información esencial en el trabajo analítico.
El SIG y el análisis de imágenes se han combinado e integrado hace poco tiempo. Y con la llegada de la computación en la nube y en los servidores corporativos, los sistemas de computación modernos tienen la capacidad de analizar enormes volúmenes de información de imágenes. Los límites del modelado se han reducido significativamente, lo que permite modelar y analizar la información de formas más profundas.
El uso de imágenes para el análisis de SIG no es nada nuevo. En las últimas décadas, las fuentes de imágenes como las capas multiespectrales, los modelos digitales de elevación y las ortofotos digitales han proporcionado una base analítica para el modelado y la extracción de entidades. Veamos algunos ejemplos frecuentes.
La propia naturaleza de los datos basados en celdas los hace perfectos para ciertos tipos de análisis avanzados que ni siquiera se pueden plantear con los datos vectoriales. El proyecto de las unidades de suelo ecológicas (ELU, Ecological Land Units) es uno de esos ejemplos. Cuatro capas globales (bioclima, formaciones del terreno, tipo de roca y cobertura del suelo) se superpusieron y se combinaron para crear una única superficie de salida que refleja una división y una clasificación sistemáticas de la biosfera global usando las entidades de la superficie del suelo ecológicas y fisiográficas para describir y caracterizar cada unidad de suelo. “Este mapa proporciona, por primera vez, un producto de datos ecofisiográfico global basado en web y compatible con el SIG que los responsables del suelo, los científicos, los ecologistas, los planificadores y el público podrán usar para el análisis del terreno y la contabilidad de escala global y regional”, señala Roger Sayre del USGS.
Las imágenes se pueden usar para automatizar la clasificación y las ubicaciones del suelo en categorías concretas, como los distintos tipos de usos del suelo y coberturas del suelo. Estas capas derivadas se pueden usar a continuación como mapas base y, lo que es más interesante, en análisis posteriores. Clasificar una serie de imágenes de diferentes periodos de tiempo también permite a los analistas explorar cómo está cambiando una ubicación, ya sea por las fuerzas naturales o por las intervenciones humanas.
Esta herramienta de análisis de los cambios forestales evalúa la pérdida total de cobertura de árboles y el número de incendios activos en el área de interés seleccionada, y muestra los resultados en función de distintas clases de cobertura del suelo. La herramienta de análisis de los cambios Global Forest Watch usa información espacial y temporal para permitirle llevar a cabo su propia investigación sobre el cambio en la cobertura del bosque, la cobertura del suelo actual y las clasificaciones legales en el área de interés.
La segmentación de la imagen se define como un proceso en el que se divide una imagen en grupos homogéneos de manera que cada región sea homogénea. Este mapa muestra la superficie impermeable de cada parcela después de que estas superficies se hayan segmentado usando el análisis de extracción de entidades en ArcGIS. Es una aplicación de segmentación clásica.
Una pregunta frecuente que el análisis SIG ayuda a resolver es ¿cuál es el mejor lugar para situar algo? Los modelos de adecuación se usan precisamente para ese fin: encontrar el lugar ideal para construir o preservar, dependiendo del objetivo. Los problemas abordados pueden ser de distintos tipos: dónde situar un nuevo centro comercial, plantar una cosecha, preservar un pantano, construir un molino de viento o instalar paneles solares en los tejados de los edificios.
Por ejemplo, los criterios importantes para ubicar un nuevo parque podrían ser, entre otros: 1) una parcela de tierra vacía de al menos un acre de tamaño; 2) proximidad al río; 3) una ubicación no demasiado cercana a otro parque; 4) un área con árboles maduros, y 5) una ubicación próxima a los hogares y al trabajo de mucha gente. ArcGIS puede modelar fácilmente la adecuación para parques y otros emplazamientos usando los datos ráster y las imágenes. Aquí tenemos algunos ejemplos más.
La NOAA ha usado la cobertura del suelo como forma de predecir la calidad del agua usando el análisis SIG. Por ejemplo, la calidad del agua suele ser mayor en la proximidad de los bosques y los humedales e inferior en las regiones con instalaciones industriales y grandes aparcamientos. Este story map ofrece una excelente descripción general de ese enfoque.
El estado de Minnesota modeló el potencial solar de todo el estado derivando la radiación solar y la orientación de la elevación, la vegetación y otras capas de raster y de imágenes críticas. Esto permite a los ciudadanos realizar una evaluación rápida de alto nivel de los lugares en los que la energía solar puede ser una alternativa práctica para sus ubicaciones.
El análisis de cuencas visuales consiste en analizar lo que está visible o no desde una ubicación dada en función de la distancia, el terreno e incluso la cobertura del suelo. Es una operación que permite identificar las ubicaciones desde las que está visible un hito concreto; por ejemplo, desde qué áreas de un parque se puede ver un río o cuántos molinos están visibles desde la plaza de la ciudad.
El análisis de la cuenca visual determinó el impacto visual de un parque eólico con cuatro grandes aerogeneradores en un área de estudio de Inglaterra. El impacto visual de construir un parque eólico en áreas urbanas o semiurbanizadas tiene el potencial de crear controversia en la comunidad. Poder mostrar desde dónde estará visible un parque de aerogeneradores antes de construirlo ayuda a los responsables de los servicios públicos a suavizar la reacción.
Este interesante story map usa el análisis de visibilidad SIG para contar la fatídica historia de la Batalla de Gettysburg en la Guerra Civil de Estados Unidos. Cuando el general Robert E. Lee (en el ojo rojo) decidió entablar combate con las tropas de la Unión, solo podía ver las tropas de las áreas claras; todo lo que aparece sombreado en gris (con diferencia, la parte más grande de los efectivos de la Unión) era invisible para él en ese momento. Usando relatos personales de los combatientes, mapas de la batalla y una capa de elevación básica, los historiadores han podido desvelar el misterio de por qué Lee pudo haberse lanzado a la batalla teniendo tan pocas posibilidades.
La hidrología es la ciencia que estudia el agua terrestre, especialmente su movimiento en relación con el suelo. Como el agua se mueve en respuesta a la gravedad, la elevación de la superficie de la Tierra se puede utilizar para modelar el movimiento del agua.
Los cañones proclives a las inundaciones suponen una amenaza importante para los usuarios recreativos que frecuentan la zona occidental semiárida de Estados Unidos. La Oficina de Previsión del Servicio Meteorológico Nacional de la NOAA en San Diego ha reconocido los riesgos de riadas que existen y ha implementado unos servicios mejorados de respuesta a las riadas para dos cañones proclives a las inundaciones. Este story map detalla los métodos empleados para concienciar al público sobre las áreas de mayor riesgo en el Parque Estatal y Desierto de Anza-Borrego.
Las capas de análisis de cuenca hidrográfica proporcionan una estimación de la frecuencia de las inundaciones, agrupadas en seis clases que van de "ninguna" a "muy frecuente". Haga clic en cualquier lugar del mapa para obtener una lectura de la frecuencia de las inundaciones. Esta capa con una resolución de 30 metros cubre la mayor parte de la zona continental de Estados Unidos, incluidos Alaska, Hawái, Puerto Rico, las Islas Vírgenes de EE. UU. y varias islas del Pacífico como Guam y Saipán.
Los datos ráster pueden tener una o varias bandas, con solo unos cuantos valores de píxeles únicos o con un rango completo de valores en la profundidad de píxel dada. Y hay varias maneras de visualizar los datos ráster como imágenes multibanda, en 3D y como mapas de serie temporal dinámica. Por ejemplo, al ver fotografías aéreas en color, con frecuencia se ve un dataset ráster de tres bandas con un renderizador RGB (rojo, verde, azul) aplicado de forma predeterminada.
El sombreado analítico calcula la iluminación de la superficie como una superficie de ráster con valores que van desde 0 a 255 en función de una dirección de la brújula con respecto al sol (azimut) y una altitud dada sobre el horizonte. El modelado y la visualización del terreno ayudan a dar vida a otras capas de información, como se muestra en este mapa de suelos de las colinas Panoche de California, al oeste de Fresno.
El Estándar de Clasificación Ecológica Costero y Marino proporciona un marco integral para organizar la información sobre las costas y los océanos y sus sistemas vivos. Este mapa de serie temporal cuatridimensional incluye las propiedades físicas, biológicas y químicas que se usan colectivamente para definir los ecosistemas costeros y marinos. Cuando se presentan en 3D, los datos forman una pila que un analista puede examinar a fondo.
El análisis de imágenes ha evolucionado radicalmente desde el lanzamiento del primer Landsat. Inicialmente, se daba prioridad al procesamiento de las imágenes para que estas fueran interpretables; posteriormente, a extraer entidades que se usaban para rellenar bases de datos de SIG. Ahora, mucha de la tecnología requerida es de uso común. La nueva prioridad es el procesamiento de las imágenes de formas que enriquecen nuestra comprensión del mundo para poder predecir y administrar mejor lo que va a suceder y adelantarnos a los acontecimientos. Eso es lo que intentamos conseguir en la agricultura, la silvicultura, la administración de recursos medioambientales, el urbanismo, la administración del tráfico e incluso en ámbitos como el cumplimiento de la ley.
Los análisis de imágenes no evolucionan en un vacío. Se ven influenciados por otras cosas relacionadas que están evolucionando. Hoy en día y en el futuro contamos con una mayor capacidad computacional sumada a las capacidades paralelas de la computación en la nube; vemos más imágenes de más modalidades con una resolución superior y más opciones de captura; tenemos acceso a enormes colecciones de datos SIG incluso antes de capturar la imagen, y contamos con formas nuevas e innovadoras de realizar análisis. Así pues, ¿hacia dónde nos lleva esta tormenta perfecta de progreso?
Tomemos como ejemplo la agricultura. En Estados Unidos, la mayor parte de los agricultores registran sus campos y sus cosechas en el Departamento de Agricultura (USDA). Hay buenos mapas de suelos y modelos de elevación disponibles para todo el país. Con NEXRAD, hay datos sobre precipitaciones obtenidos por radares situados en el suelo que se capturan en todo el continente cada cinco minutos para tamaños de celda de menos de un kilómetro. Combinados con otros datos de temperatura y de la iluminación solar diaria, los modelos de las cosechas pueden predecir cuál debería ser el estado de crecimiento de cada campo. Esto permite el uso de imágenes multiespectrales para validar y ajustar estos modelos de cosechas cuando se capturan nuevas imágenes, ya sea desde satélites, aviones o drones. De hecho, los drones personalizan los datos para cada agricultor y ofrecen una resolución superior y una frecuencia de captura mayor. Los resultados analíticos muestran las anomalías que el agricultor debe solucionar para mitigar los problemas de humedad, de deficiencias de nutrientes o de malas hierbas y plagas. El resultado neto es una mejor comprensión de la producción tanto a nivel nacional como para la agricultura de precisión en cada campo.
El análisis de imagen ya no se limita a la creación de una imagen bonita. En lugar de eso, combina la ciencia de la teledetección con los demás datos de sensores y SIG disponibles para modelar los procesos importantes que ocurren todos los días en nuestros territorios y afectan a nuestras vidas.
El objetivo de la cartografía o de cualquier estilo de diseño de la información es resaltar los aspectos significativos de los datos. En muchos casos, cuando dejamos que los datos salgan a la superficie, es un sofisticado análisis espacial lo que se convierte en el mapa o en la visualización de información.
Cuando las precipitaciones caen sobre la superficie de la Tierra, buena parte de ellas queda atrapada en distintos tipos de almacenamientos (como lagos, acuíferos, humedad del suelo, capa de nieve y vegetación, entre otros). La precipitación que excede la capacidad de almacenamiento del terreno se convierte en escorrentía, que fluye hacia los sistemas fluviales. En las áreas urbanas, el pavimento y otras superficies impermeables aumentan drásticamente la cantidad de escorrentía superficial, que arrastra la basura y los detritos urbanos a las vías fluviales e incrementa la contaminación y la gravedad de las inundaciones. En las áreas agrícolas, la escorrentía del suelo y el subsuelo puede llevar un exceso de sales y nutrientes, especialmente nitrógeno y fósforo.
La batimetría es el estudio de las profundidades submarinas de los lechos de los lagos o los fondos de los océanos. En otras palabras, es el equivalente submarino de la topografía. Este mapa explora los océanos del mundo y sus características batimétricas.
Cuando el huracán Irene azotó las Outer Banks de Carolina del Norte en 2011, la marejada y los vientos tallaron dos nuevos canales a través de Pea Island. La principal ruta de conexión con el continente quedó destruida. Las agencias de transporte estatales y regionales recurrieron al LIDAR y a las imágenes para capturar datos multiespectrales e información sobre la superficie.
La carretera dañada era la única vía de entrada y salida para los residentes locales. La carretera no era lo único que había que reparar: la playa circundante también tuvo que ser reconstruida como zona de seguridad para proteger la nueva carretera. Tan pronto como las imágenes se obtuvieron y se analizaron (tan solo unos días después del suceso), se pusieron a disposición de los organismos encargados de la respuesta de emergencia y demostraron ser extremadamente valiosas para la reconstrucción de las infraestructuras.
El estado de Carolina del Norte implementó una sencilla aplicación que permitió a los funcionarios empezar a hacer cálculos sobre cuántos camiones de arena serían necesarios para reponer toda la que se había llevado la tormenta. Dibujando formas de diferentes tamaños en el suelo, pudieron proporcionar algunas estimaciones realistas de la cantidad de arena que se necesitaba para reparar la carretera y la playa lo antes posible.
Muchos gobiernos locales usan la cantidad de superficies impermeables para calcular la factura del agua de la tormenta para las distintas propiedades. Usando el procesamiento dinámico de imágenes, las entidades impermeables de la superficie se extraen de las imágenes multiespectrales y se usan para calcular la superficie impermeable total por parcela, como se muestra en este ejemplo de Charlotte, en Carolina del Norte. Este cálculo analítico proporciona una excelente ilustración de la sinergia que se obtiene mediante la integración del SIG y el procesamiento de imágenes.
ArcGIS Spatial Analyst es una extensión de ArcMap que amplía las capacidades de ArcGIS Desktop con toda una gama de herramientas de análisis y modelización espacial en ráster. Se utiliza para resolver problemas complejos, como situar de forma óptima nuevas tiendas o determinar las mejores áreas para realizar tareas de conservación de la fauna silvestre. Aunque está fuera del ámbito de este libro, es una herramienta importante en el kit de los mejores analistas.
Este curso va dirigido a personas que tienen algunos conocimientos sobre análisis de datos y desean aprender cómo las capacidades especiales del análisis de datos espaciales proporcionan una comprensión más profunda. Conseguirá acceso gratuito a todas las capacidades analíticas de ArcGIS Online, la plataforma de SIG basada en la nube de Esri. Tener experiencia previa con el software de SIG resulta útil pero no es imprescindible.
Las superficies del terreno en las que el agua no puede penetrar, conocidas como superficies impermeables, presentan graves problemas para el medio ambiente. La escorrentía de aguas pluviales puede provocar inundaciones y transportar elementos contaminados a lagos y ríos. Debido a estos peligros, muchos gobiernos locales aplican tasas a parcelas de terreno que tienen una gran cantidad de superficies impermeables. Entre ellas se encuentra el gobierno local de Louisville, en Kentucky. Sin embargo, para cobrar una factura por el agua de tormenta a las propiedades necesitan conocer el área de las superficies impermeables contenidas en cada parcela.
Les ayudará calculando las superficies impermeables de un vecindario de Louisville. Con la ayuda de una tarea de ArcGIS Pro, extraerá bandas de una imagen multiespectral del vecindario para resaltar entidades urbanas como las carreteras y los tejados grises. A continuación, segmentará y clasificará la imagen en tipos de uso del suelo, que puede volver a clasificar en superficies permeables o impermeables. Después de evaluar la exactitud de su clasificación, calculará el área de superficies impermeables por parcela para proporcionar a Louisville la información que necesita para determinar las tarifas por agua de tormenta.
Sensors give us superhuman eyes
Enabling a new dimension