Selección de imágenes satelitales para actualización de cartografía rural a bajo costo

Abstract

Contar con información actualizada y confiable de las características y elementos espaciales existentes en el territorio nacional ha sido una de los grandes esfuerzos de los países a través del tiempo. No obstante, existen limitaciones en la producción y actualización cartográfica con respecto a la calidad, la temporalidad y el nivel de detalle y precisión de los insumos para este fin. En este artículo se presenta una metodología de selección de imágenes satelitales como principal insumo en la actualización de cartografía rural, en donde se toman en cuenta la resolución espacial, la cobertura, el precio, la disponibilidad, las restricciones y las condiciones de uso. Como resultado de una evaluación inicial, y haciendo énfasis en imágenes de acceso gratuito, se seleccionaron imágenes Landsat 8 y CBERS 2B para una evaluación comparativa final, en la cual se presentan las ventajas, las cualidades y las deficiencias en cada uno de los aspectos considerados.

Full text

Selección de imágenes satelitales para actualización
de cartografía rural a bajo costo
Héctor Mauricio Ramírez Daza1
Serena Sarah Weber2
Nelson Andrés Nieto Valencia3
Abstract
Having up-to-date and reliable information on the characteristics and spatial
elements existing in the national territory has been one of the great efforts of
Countries over time. However, one of the main limitations in cartographic
production and updating is the quality, level of detail, precision and accuracy of the
inputs for this purpose. This article presents a methodology for the selection of
satellite images as the main input in the update of rural cartography, in which the
spatial resolution, coverage, price, availability, restrictions and conditions of use are
taken into account. As a result of an initial evaluation, and with emphasis on free
access images, Landsat 8 and CBERS 2B images are selected for a final
comparative evaluation, in which the advantages, qualities and deficiencies, are
presented in each of the aspects considered.
Keywords: Updating, rural cartography, map scales, satellite image
comparison.
Resumen
Contar con información actualizada y confiable de las características y elementos
espaciales existentes en el territorio nacional ha sido una de los grandes esfuerzos
de los países a través del tiempo. No obstante, existen limitaciones en la producción
y actualización cartográfica con respecto a la calidad, la temporalidad y el nivel de
1 Ingeniero forestal y magíster en Geografía de la Universidad Pedagógica y Tecnológica
de Colombia. Investigador y jefe de oficina del Centro de Investigación y Desarrollo en
Información Geográfica (CIAF), Grupo de Percepción Remota, Instituto Geográfico
Agustín Codazzi (IGAC) en Bogotá D. C., Colombia. Correo electrónico:
hmramirez@igac.gov.co
2 Ingeniera en Cartografía y especialista en Sistemas de Información Geográfica de la
Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Investigadora del Centro de Investigación y
Desarrollo en Información Geográfica (CIAF), Grupo de Sistemas de Información
Geográfica, Instituto Geográfico Agustín Codazzi (IGAC) en Bogotá D. C., Colombia.
Correo electrónico: serena.weber@igac.gov.co
3 Ingeniero ambiental y especialista en Sistemas de Información Geográfica de la
Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Investigador del Centro de Investigación y
Desarrollo en Información Geográfica (CIAF), Grupo de Percepción Remota, Instituto
Geográfico Agustín Codazzi (IGAC) en Bogotá D. C., Colombia. Correo electrónico:
nelson.nieto@igac.gov.co
Revista Cartográfica 93 enero-diciembre 2017:9-26

detalle y precisión de los insumos para este fin. En este artículo se presenta una
metodología de selección de imágenes satelitales como principal insumo en la
actualización de cartografía rural, en donde se toman en cuenta la resolución
espacial, la cobertura, el precio, la disponibilidad, las restricciones y las condiciones
de uso. Como resultado de una evaluación inicial, y haciendo énfasis en imágenes
de acceso gratuito, se seleccionaron imágenes Landsat 8 y CBERS 2B para una
evaluación comparativa final, en la cual se presentan las ventajas, las cualidades y
las deficiencias en cada uno de los aspectos considerados.
Palabras clave: actualización, cartografía rural, escalas de mapas, imágenes
satelitales.
Introducción
El proceso de actualización de cartografía es uno los aspectos críticos en el manejo
y la gestión de la información cartográfica oficial, ya que a medida que un país
experimenta cambios en su cultura y su economía también cambia su geografía. Por
lo tanto, para continuar desarrollándose económicamente, tiene que estar en pleno
conocimiento y al día respecto a las condiciones de distribución de los elementos
del espacio en su territorio. Para este fin se emplean diferentes técnicas y
tecnologías, entre las cuales las imágenes de sensores remotos son un insumo de la
más alta importancia, ya que permiten observar y capturar las características y el
estado de la cobertura de la tierra en amplias extensiones y a menores costos que si
se hiciera solamente mediante estudios de campo. Este artículo tiene como objetivo
contextualizar al lector respecto a las principales características y particularidades a
considerar en la selección y el empleo de las imágenes de sensores remotos para
encontrar una alternativa gratuita o de bajo costo para actualizar la cartografía rural
de manera rápida.
Uno de los aspectos más relevantes de una imagen y, a su vez, del sensor, es la
resolución, que se define como la capacidad de registrar y discriminar la
información del detalle. Chuvieco (2008) y Albertz (2001) describen, en términos
generales, los elementos de la resolución en la siguiente forma:
Resolución espacial: designa al objeto más pequeño que puede distinguirse
sobre una imagen o pixel. Mientras menor sea el tamaño de pixel, mayor
será la resolución de la imagen y, por lo tanto, se podrá extraer mayor nivel
de detalle de la imagen.
Resolución espectral: indica el ancho y número de las bandas espectrales
que posee una imagen. Una imagen multiespectral se caracteriza por ser
más idónea si cuenta con mayor número de bandas, ya que facilita la
caracterización espectral de los distintos objetos de la tierra.

Resolución radiométrica: se refiere a la sensibilidad del sensor, es decir, su
capacidad para detectar variaciones en la radiancia espectral que recibe. El
rango de niveles digitales está representado visualmente por la escala de
grises, donde los niveles digitales más bajos corresponden al gris oscuro y
los valores digitales más altos corresponden al gris claro.
Resolución temporal: se refiere a la periodicidad con la que se adquieren
imágenes de la misma porción de la superficie terrestre. Es necesario tener
en cuenta que la resolución temporal efectiva dependerá también de las
condiciones atmosféricas, ya que con sensores ópticos o térmicos no se
pueden observar áreas cubiertas por nubes, por lo que en algunas zonas la
cadencia de imágenes útiles puede ser notablemente más baja que el ciclo
de adquisición del sensor.
Materiales y métodos
La cartografía rural y urbana viene dada por la escala, y consiste en planchas
continuas de toda una región o país. En Colombia, el Instituto Geográfico Agustín
Codazzi (IGAC) produce la cartografía rural a escala 1:25.000, y se diferencia de la
urbana porque no necesita de planos o mapas con mayor detalle. Su elaboración
conlleva, de manera general, varios pasos y exige ciertos componentes técnicos
(software y hardware) especializados para la restitución en tres dimensiones:
I. Planear y ejecutar el vuelo fotogramétrico
II. Hacer el control terrestre de las imágenes
III. Aerotriangulación y restitución fotogramétrica
IV. Generación del modelo de elevaciones y ortoimágenes
V. Edición y estructuración
Por el contrario, para la actualización de la cartografía existente se requieren
componentes técnicos menos especializados porque se basa en el principio de que la
topografía principal generalmente no cambia, y los elementos sujetos a mayores
cambios se pueden actualizar mediante comparación de vectores con nuevas
imágenes en dos dimensiones.
Metodología
Se realizó una búsqueda de los insumos disponibles en el mercado y posteriormente
se hizo una comparación de las características técnicas de cada uno. A partir de esta
comparación se seleccionaron los sensores que se podrían utilizar para el proceso de
actualización de cartografía a escala 1:25.000.

Los resultados de esta comparación permiten organizar las imágenes en tres
grupos: a) insumos aptos para la actualización de cartografía a escala 1:25.000 (en
color verde en la figura 1); b) insumos aptos para la actualización de cartografía a
escala 1:25.000 en zonas de poca intervención (en color naranja en la figura 1) y c)
insumos no aptos para la actualización de cartografía a escala 1:25.000 (en color
rojo en la figura 1). Para los insumos clasificados en los grupos a y b se realizó un
análisis de requerimientos de licenciamiento para determinar las condiciones
generales y el costo para el uso comercial.
Figura 1. Metodología del proyecto
Clasificación de imágenes
Entre los satélites ópticos de observación de la Tierra (también llamados sensores)
con una resolución espacial menor a un metro, denominados comúnmente como “de
alta resolución”, se destacan: WorldView 1 y 2, Pleiades-1A, GeoEye-1, QuickBird,

EROS-B e Ikonos, entre otros. Las imágenes satelitales de alta resolución son
empleadas en cartografía por su nivel de precisión y detalle, con escalas de trabajo
de hasta 1:2000. Debido a estas características, su precio en el mercado es más alto
que el de las imágenes ofrecidas por satélites de mediana resolución (Apollo
Mapping, 2013).
En contraste con los satélites de alta resolución, se consideran “de media
resolución” aquellos que se encuentran entre uno y treinta metros de resolución
espacial. En esta gama se destacan los satélites Spot, FormoSat-2, EROS-A,
RapidEye, Deimos-1 y Landsat, entre otros. Las imágenes de los satélites de media
resolución son ampliamente empleadas para la generación y la actualización de
cartográfica básica y temática, comúnmente a escalas de 1:50.000 a 1:200.000,
aprovechando las extensas zonas que cubren estas imágenes. Las imágenes de
media resolución tienen un precio en el mercado notablemente menor comparadas
con las de alta resolución, e inclusive el programa Landsat ofrece sus imágenes de
manera gratuita para uso no comercial (Apollo Mapping, 2013).
En la figura 2 se muestra una comparación gráfica de las principales
características de las imágenes analizadas para este estudio mediante la relación de
figuras geométricas, donde cada una simboliza una imagen de los sensores
seleccionados, así: la extensión de la escena es representada por el tamaño de la
figura, la resolución espacial está representada por el borde y el color simboliza el
precio en dólares americanos para el 2014. Cabe anotar que si bien no todos los
sensores tienen las características necesarias para la cartografía rural, pueden tener,
por ejemplo, una resolución tan alta que no sea necesaria, pero, para ilustrar y
mostrar las comparaciones, se incluyeron también.

Figura 2. Comparación visual de precio, resolución y tamaño de los diferentes sensores,
representado en el gráfico a escala 1:1.000.000
Selección de imágenes
Al buscar una alternativa económica para la actualización de cartografía a escala
1:25.000, el precio es el primer criterio para seleccionar los insumos para la fase de
pruebas. Entre los productos de sensores remotos anteriormente mencionados, se
encuentran seis gratuitos:

EO-1 ALI
EO-1 Hyperion
Aster
Landsat 8
CBERS 2B (HRC)
CBERS 2B (CCD)
Debido al criterio de resolución espacial se determinó, dentro del
diseño metodológico, realizar la comparación y evaluación de imágenes de los
siguientes programas:
EO-1 ALI
Landsat 8
CBERS 2B (HRC)
Lo anterior se estableció a partir de la disponibilidad de las imágenes,
tanto por su accesibilidad como por las restricciones de licenciamiento para su
empleo en producción de cartografía. No obstante, por falta de disponibilidad de
imágenes a descargar, se reemplazó el sensor EO-1 ALI por CBERS 2B CCD,
aunque este último tiene menor resolución (20 m). En la figura 3 se pueden
observar los seis sensores gratuitos (en color verde) dentro del grupo de los que se
compararon inicialmente. De estos seis se seleccionaron tres, por tener una
resolución espacial apta para la cartografía rural.

Figura 3. Selección de sensores: criterio 1 (precio) y criterio 2 (resolución espacial)
La actualización cartográfica a escala 1:25.000 se basa en el principio
de que la topografía del terreno generalmente no sufre cambios significativos para
la escala. Los casos de actividades amplias de minería o desastres naturales que
pueden llegar a cambiar la topografía a esa escala son eventos muy puntuales que se
tendrán en cuenta para las planchas específicas. En la figura 4 se pueden observar
los diferentes elementos cartográficos identificados en las imágenes de los sensores
Landsat 8 y CBERS 2B.

Figura 4. Elementos cartográficos de los sensores Landsat 8 y CBERS 2B
Excluyendo la topografía del proceso, la evaluación de los tres sensores se
centró en las siguientes capas temáticas:
Vías
Drenajes sencillos
Drenajes dobles
Cuerpos de agua
Bosques

Puentes
El primer paso fue evaluar la capacidad para identificar
geométricamente los diferentes elementos, y posteriormente se evaluó el nivel de
detalle para reconocer ciertos atributos de los elementos.
De acuerdo con los criterios para la selección de imágenes establecidos
por la Subdirección de Geografía y Cartografía del IGAC (bajo precio, bajo nivel de
procesamiento-tratamiento de imágenes) y con base en la metodología definida para
el proyecto, se hizo la comparación de imágenes de los satélites Landsat 8 y
CBERS. Las características se sintetizan en la tabla 1.
Tabla 1
Descripción básica de los sensores a comparar
Nombre del
sensor
Tipo
de
senso
r
Bandas
espectrale
s
Resoluci
ón
Precio
merca
do
Orden
mínima
(km2)
Precio
orden
mínim
a
Landsat 8
(OLI)
Satéli
te
Pancromát
ico
15 m Gratis Escena
170 x
185 km
-
8 bandas
ME
30 m
CBERS 2B
(CCD)
Satéli
te
Pancromát
ico
20 m Gratis Escena
113 x
113
-
4 bandas
ME
20 m
CBERS 2B
(HRC)
Satéli
te
Pancromát
ico
2,7 m Gratis Escena
27 x 27
-
Fuente: Compilado por los autores, 2013.
Para obtener el material para realizar la comparación, se buscaron
imágenes que estuvieran disponibles en los portales Earth Explorer para Landsat 8,
y en el portal de la División de Generación de Imágenes CBERS 2B. En este
proceso surgió un inconveniente con CBERS 2B porque no hay imágenes
disponibles de la zona de estudio y todavía no hay una cobertura completa para
Colombia. Por esta razón se realizó una comparación visual a escala 1:25.000 en
otra zona. Las imágenes más adecuadas que se encontraron corresponden al
municipio de San José del Guaviare, capital del departamento del Guaviare.
Tabla 2
Imágenes a emplear en la comparación
Sensor Código Año

CBERS 2B
(CCD) CBERS_2B_CCD1XS_20081218_187_097_L2 2008
CBERS 2B
(HRC) CBERS_2B_HRC_20090802_187_C_097_3_L2 2009
Landsat 8 OLI LC80070582013279LGN01 2013
Fuente: Compilado por los autores, 2013.
El primer análisis se hizo sobre la temporalidad de las imágenes, ya que
corresponden a diferentes épocas; sin embargo, y luego de una observación más
detallada, se encontró que el centro poblado del municipio no ha presentado
mayores cambios en el periodo que cubren estas imágenes, lo cual puede
relacionarse con la baja dinámica poblacional que presenta el municipio,
principalmente por su ubicación remota. Así mismo, al observar las imágenes
obtenidas se pudieron identificar elementos como tejido urbano, cultivos, cuerpos
de agua, áreas boscosas, vías y otros elementos que son significativos en la
actualización de cartografía.
Resultados y discusión
Para evaluar comparativamente las imágenes con respecto a la capacidad de
identificar con mayor o menor facilidad los elementos cartográficos de interés, se
creó una matriz de comparación que se aplicó a las imágenes obtenidas de los
sensores Landsat 8 y CBERS 2B. La descripción de los elementos de la matriz de
evaluación (figura 5) es la siguiente:
I. Elemento: sección donde se encuentran los elementos cartográficos que
van a observarse en la imagen y a ser evaluados. Cada elemento tiene una
casilla de puntaje para indicar la calificación que obtiene en la sección.
II. Calificación: sección en la cual se realiza la calificación del elemento de
acuerdo con las siguientes características:
i. Definición del elemento (DE): hace referencia a qué tan
identificable es el elemento en las imágenes comparadas.
ii. Nitidez del elemento (NE): hace referencia a qué tan borroso es el
elemento en las imágenes; una alta nitidez corresponde a una baja
borrosidad.
iii. Consistencia del elemento (CE): hace referencia a qué tan
continuo y consistente es el elemento de acuerdo con su
representación cartográfica.
III. Mejor sensor por elemento: sección en la cual se consigna qué sensor
permite una mayor identificación del elemento de acuerdo con la
calificación.

Figura 5. Estructura de la matriz de evaluación
La tabla 3 muestra las características de los elementos cartográficos a
calificar (DE, NE, CE) en las casillas superiores; se asigna un valor
correspondiendo al siguiente criterio para cada sensor; en caso de que no se
encuentre el elemento en la imagen, se llenará la casilla con un guion.
Tabla 3
Criterios de calificación
Valor Calificación
- No se encuentra el elemento
1 Bajo
2 Medio
3 Alto
En la casilla puntaje se hace la sumatoria de los valores para obtener el
puntaje total del elemento correspondiente a una imagen determinada; el resultado
obtenido se evalúa bajo los criterios de la tabla 4.
Tabla 4
Criterios de calificación total

Puntaje del elemento Calificación
3 Muy bajo
4 Bajo
5 Bajo-medio
6 Medio
7 Medio-alto
8 Alto
9 Muy alto
Evaluación de resultados
A continuación, se procedió a realizar la evaluación de las imágenes de acuerdo con
la metodología descrita. A partir de los elementos cartográficos encontrados en las
imágenes a escala 1:25.000, y para poder observarlos con mayor detalle (figura 4),
se resumió su evaluación en la tabla 5.
Tabla 5
Matriz de evaluación final
Element
o
Calificación
Mejor
sensor por
elemento
Landsat 8 CBERS 2B (CCD) CBERS 2B (HRC)
DE NE CE DE NE CE DE NE CE
Vía 3 3 3 3 2 3 3 3 3
Landsat 8/
CBERS 2B
(HRC)
Puntaje 9 8 9
Drenaje
sencillo 3 3 3 3 2 3 3 3 3
Landsat 8/
CBERS 2B
(HRC)
Puntaje 9 8 9
Drenaje
doble 3 3 3 3 3 3 3 3 3
Landsat 8/
CBERS 2B
(CCD)/
CBERS 2B
(HRC)
Puntaje 9 9 9
Cuerpo
de agua 3 3 3 3 2 2 3 3 3
Landsat 8/
CBERS 2B
(HRC)

Puntaje 9 7 9
Bosque 3 3 3 2 2 2 3 3 3
Landsat 8/
CBERS 2B
(HRC)
Puntaje 9 6 9
Puente 2 2 2 1 1 1 3 3 3 CBERS 2B
(HRC)
Puntaje 8 3 9
Condiciones de uso
El Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) de Brasil permite la producción
de imágenes derivadas y clasificadas a partir de las imágenes del sensor CBERS,
tanto para uso propio como comercial, teniendo en cuenta solicitudes de
información sobre el uso por parte del INPE (INPE, 2004).
El Servicio Geológico de los Estados Unidos de América (USGS, por la sigla en
inglés de U. S. Geological Survey) se compromete, en sus políticas de distribución
de datos, a un acceso gratuito y libre de restricciones y discriminaciones a las
imágenes del sensor Landsat en formato digital, y promueve el intercambio y la
redistribución libre de los productos de datos Landsat mientras se cumpla con las
referencias al programa Landsat de la NASA y el USGS (2008). Los productos de
ambos sensores permiten su uso comercial en un ambiente de producción.
Conclusiones
Para los seis elementos cartográficos evaluados, con las imágenes CBERS 2B
(HRC) se obtuvieron las mejores calificaciones, con valores de muy alto, para todos
los casos, seguido de las imágenes Landsat 8, que presentaron valores de muy alto
(9 puntos) para cinco de ellos y alto (8 puntos) para el restante. Por su parte, con el
sensor solamente se obtuvo calificación de muy alto para el elemento drenaje doble.
En conclusión, los sensores Landsat 8 y CBERS 2B HRC ofrecen una mayor
facilidad para la identificación de elementos cartográficos en el ámbito de la
actualización de cartografía rural. Landsat 8 tiene la ventaja de las bandas
multiespectrales, y CBERS HRC, en cambio, tiene una mayor resolución; no
obstante, se puede observar que existe una restricción notoria en la disponibilidad
de las imágenes CBERS 2B HRC, ya que no abarcan todo el país, mientras que las
imágenes Landsat 8 ofrecen una total cobertura nacional, tal y como puede
observarse en la figura 6.

Figura 6. Cobertura de imágenes Landsat (izquierda) y CBERS 2B HRC (derecha)
Fuente: Elaboración propia a partir de información del IGAC (izquierda); INPE Image
Catalog (derecha), 2013.
Bibliografía
Albertz, J. (2001). Einführung in die Fernerkundung: Grundlagen der
Interpretation von Luft- und Satellitenbildern, Darmstadt:
Wissenschaftliche Buchgesellschaft.
Apollo Mapping, (2013). QuickBird. Recuperado de
http://apollomapping.com/imagery/high-resolution-imagery/quickbird.
Chuvieco, E. (2008). Teledetección ambiental, la observación de la Tierra desde el
espacio. 3ª ed. Ariel, Barcelona.
Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE). (2004). Política de datos CBERS
para usuarios brasileros. Recuperado de
http://www.dgi.inpe.br/Suporte/files/politica_de_dados_cbers_v.1.4_ES.htm.
U. S. Geological Survey (USGS). (2008). Landsat Data Distribution Policy.
Recuperado de http://landsat.usgs.gov/documents/Landsat_Data_Policy.pdf.