Generación de datos georreferenciados de

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Generación de datos georreferenciados
de muy alta resolución a partir
de imágenes de los satélites
GeoEye-1 y WorldView-2
TESIS DOCTORAL
María del Mar Saldaña Díaz
DIRECTORES
Dr. Manuel Ángel Aguilar Torres
Dr. Fernando José Aguilar Torres
TESIS DOCTORAL

Generación de datos georreferenciados de
muy alta resolución a partir de imágenes de los
satélites GeoEye-1 y WorldView-2.

Memoria presentada por María del Mar Saldaña Díaz para optar al
Grado de Doctor por la Universidad de Almería.

DIRECTORES
Dr. Manuel Ángel Aguilar Torres.
Dr. Fernando José Aguilar Torres.

UNIVERSIDAD DE ALMERÍA-2013
Departamento de Ingeniería.
TESIS DOCTORAL

Generación de datos georreferenciados de
muy alta resolución a partir de imágenes de los
satélites GeoEye-1 y WorldView-2.

AUTOR
María del Mar Saldaña Díaz

VºBº Director Tesis VºBº Director Tesis

Dr. Manuel Ángel Aguilar Torres Dr. Fernando José Aguilar Torres

UNIVERSIDAD DE ALMERÍA-2013
Departamento de Ingeniería.
Esta Tesis se ha podido llevar a cabo gracias al proyecto subvencionado por el
Ministerio de Innovación y Ciencia del Gobierno de España y la Unión Europea
(Fondos FEDER) en el marco del Proyecto de Investigación del Plan Nacional, con
referencia CTM2010-16573, titulado “Generación de datos georreferenciados de
muy alta resolución a partir de imágenes de los satélites GeoEye-1 y WorldView-2”
que le da título a esta tesis.

Agradecer también el apoyo de la Junta de Andalucía a través del Proyecto de
Investigación de Excelencia denominado: “Integración y análisis exploratorio de
datos geoespaciales multifuente para el seguimiento y modelado de la evolución y
vulnerabilidad de áreas costeras. Aplicación a una zona del Levante de Almería”,
con referencia RNM-3575.
AGRADECIMIENTOS.

El día que entré a mi primera clase de Geomática no pude imaginar hasta
donde me llevaría, y mucho menos que este tiempo pasaría tan rápido.
En primer lugar me gustaría agradecer a mis directores de tesis, Manuel Ángel
Aguilar y Fernando Aguilar toda su dedicación, disponibilidad y apoyo.
Agradecerles todo el trabajo que han realizado para poder llevar a cabo esta Tesis.
Su cariño y consejos a lo largo de todo este tiempo en el ámbito personal y laboral,
y agradecerles el haber confiado en mí desde el primer día que decidí realizar mi
proyecto con ellos.
Me gustaría también agradecer a Ismael Fernández toda su ayuda, que no ha
sido poca, desde el primer día que nos conocimos. Apoyando y animándome
siempre a seguir con este trabajo. Gracias por tus explicaciones y opiniones
personales, que han hecho que vea todo desde un punto de vista diferente.
A mis compañeros de la universidad, con los que he pasado muy buenos
momentos. Gracias por vuestros consejos y por vuestra predisposición. Por hacer
los ratos de comida y café más entretenidos, por formar parte de mi grupo durante
todo este tiempo.
A mis amigos, por intentar hacerme ver en todo momento que todo tiene su
recompensa, que siempre hay algo bueno que está por llegar. Gracias por vuestro
apoyo.
A mi familia, en especial a mis padres, por su gran esfuerzo, por apoyarme
desde el comienzo de mis estudios, por aconsejarme siempre con cariño y respeto,
y por confiar en mí más que yo misma.
Por último me gustaría agradecer a Borja esa infinita paciencia y ese cariño
incondicional que me ha demostrado a lo largo de este camino. Por tener siempre
esas palabras de apoyo en el momento justo y por entenderme en cada momento.
Gracias por haber sido mi gran apoyo durante todo este tiempo.
A mis padres.

Nunca consideres el estudio como una obligación, sino como una oportunidad
para penetrar en el bello y maravilloso mundo del saber.
Albert Einstein.
ÍNDICE

ÍNDICE GENERAL. ....................................................................................................................................i
ÍNDICE DE FIGURAS. .......................................................................................................................... vii
ÍNDICE DE TABLAS. ............................................................................................................................. xi

CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN. ............................................................................................ 1
1.1. TELEDETECCIÓN. .......................................................................................................................... 1
1.2. SISTEMAS DE ADQUISICIÓN DE DATOS. ............................................................................. 4
1.2.1. Resolución espacial. ........................................................................................................ 4
1.2.2. Resolución radiométrica ............................................................................................... 5
1.2.3. Resolución espectral. ...................................................................................................... 5
1.2.4. Resolución temporal. ....................................................................................................... 6
1.2.5. Estéreo adquisición. ........................................................................................................ 7
1.3. SATÉLITES DE MUY ALTA RESOLUCIÓN. ........................................................................... 8
1.3.1. GeoEye-1. .......................................................................................................................... 11
1.3.2. WorldView-2. ................................................................................................................... 13
1.4. OBTENCIÓN DE DATOS A PARTIR DE IMÁGENES VHR. ............................................ 15
1.5. BIBLIOGRAFÍA. ............................................................................................................................ 18
CAPÍTULO 2. OBJETIVOS .................................................................................................... 25
2.1. HIPÓTESIS DE PARTIDA. ......................................................................................................... 25
2.2. OBJETIVOS. .................................................................................................................................... 26
CAPÍTULO 3. CARACTERÍSTICAS GEOMÉTRICAS Y RADIOMÉTRICAS DE LAS
IMÁGENES DE SATÉLITE DE MUY ALTA RESOLUCIÓN EMPLEADAS. .................. 29
3.1. INTRODUCCIÓN. .......................................................................................................................... 29
3.2. ZONA DE ESTUDIO. ..................................................................................................................... 31

i
Generación de datos georreferenciados a partir de imágenes
3.3. IMÁGENES DE SATÉLITE DE MUY ALTA RESOLUCIÓN. ............................................. 32
3.3.1. GE-1. .................................................................................................................................... 32
3.3.2. WV-2. .................................................................................................................................. 34
3.4. CALIDAD RADIOMÉTRICA PAN Y MS. METODOLOGÍA. ............................................... 36
3.4.1. Histogramas de DNs. .................................................................................................... 37
3.4.2. Inspección visual. .......................................................................................................... 37
3.4.3. Evaluación de la calidad de la imagen.................................................................. 37
3.5. RESULTADOS DE CALIDAD RADIOMÉTRICA PARA IMÁGENES PAN.................... 41
3.5.1. Histogramas de DNs sobre imágenes PAN. ........................................................ 41
3.5.2. Inspección visual de imágenes PAN. ..................................................................... 43
3.5.3. Evaluación de la calidad de imágenes PAN mediante ratios. ..................... 45
3.6. RESULTADOS DE CALIDAD RADIOMÉTRICA PARA IMÁGENES MS. ..................... 47
3.6.1. Histogramas de DNs sobre imágenes MS (bandas R, G, B y Nir).. ............. 48
3.6.2. Inspección visual de imágenes MS (bandas R, G, B y Nir). ........................... 52
3.6.3. Histogramas de DNs e inspección visual sobre el conjunto de bandas
MS2 de WV-2. ................................................................................................................................. 58
3.6.4. Evaluación de la calidad de las imágenes MS. ................................................... 61
3.7. CONCLUSIONES ............................................................................................................................. 64
3.8. BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................................... 65
CAPÍTULO 4. ESTUDIO DE LA PRECISIÓN GEOMÉTRICA ALCANZABLE EN
LA FASE DE ORIENTACIÓN DEL SENSOR A PARTIR DE IMÁGENES DE
GEOEYE-1 Y WORLDVIEW-2 ............................................................................................. 69
4.1. INTRODUCCIÓN. .......................................................................................................................... 69
4.2. ZONA DE ESTUDIO Y DATOS DE PARTIDA. ..................................................................... 72
4.2.1. Zona de estudio. .............................................................................................................. 72
4.2.2. Imágenes de satélite de alta resolución. .............................................................. 73
4.2.3. Puntos de control y de comprobación. ................................................................. 73

ii
Índice General

4.3. METODOLOGÍA. ........................................................................................................................... 76
4.3.1. Modelos de sensor. ....................................................................................................... 76
4.3.1.1. Funciones Racionales 3D. ........................................................................... 76
4.3.1.2. Modelos Físicos. .............................................................................................. 80
4.3.2. Precisión geométrica en la orientación de imágenes PAN. ......................... 80
4.3.2.1. Precisiones alcanzadas sin el soporte de GCPs. ................................. 80
4.3.2.2. Precisiones alcanzadas en la fase de orientación de imágenes
PAN incluyendo el soporte de GCPs. ....................................................................... 80
4.3.3. Precisión geométrica en la orientación de imágenes MS. ............................ 82
4.3.3.1. Precisiones alcanzadas sin el soporte de GCPs. ................................. 82
4.3.3.2. Precisiones alcanzadas en la fase de orientación de imágenes
MS incluyendo el soporte de GCPs. .......................................................................... 82
4.4. RESULTADOS. ............................................................................................................................... 83
4.4.1. Precisión geométrica en la orientación de imágenes PAN. ......................... 83
4.4.1.1. Precisiones alcanzadas sin soporte de GCPs. ...................................... 83
4.4.1.2. Precisiones alcanzadas en la fase de orientación de imágenes
PAN incluyendo el soporte de GCPs. ...................................................................... 84
4.4.2. Precisión geométrica en la orientación de imágenes MS. ............................ 92
4.4.2.1. Precisiones alcanzadas sin el soporte de GCPs. ................................. 92
4.4.2.2. Precisiones alcanzadas en la fase de orientación de imágenes
MS incluyendo el soporte de GCPs. .......................................................................... 93
4.5. CONCLUSIONES. .......................................................................................................................... 96
4.6. BIBLIOGRAFÍA. ............................................................................................................................ 97
CAPÍTULO 5. GENERACIÓN Y EVALUACIÓN DE LA CALIDAD DE LOS
MODELOS DIGITALES DE SUPERFICIES GENERADOS A PARTIR DE
ESTÉREO PARES FORMADOS POR IMÁGENES DE GEOEYE-1 Y
WORLDVIEW-2. .................................................................................................................. 105

iii
Generación de datos georreferenciados a partir de imágenes
5.1. INTRODUCCIÓN. ....................................................................................................................... 105
5.2. ZONA DE ESTUDIO Y DATOS EMPLEADOS. .................................................................. 108
5.2.1. Zona de estudio. ........................................................................................................... 108
5.2.2. Imágenes de satélite VHR. ....................................................................................... 109
5.2.3. Puntos de control y comprobación. Datos LiDAR. ........................................ 109
5.3. METODOLOGÍA. ......................................................................................................................... 110
5.3.1. Estéreo pares. ............................................................................................................... 110
5.3.2. Extracción de DSMs a partir de imágenes de satélite VHR. ....................... 112
5.3.3. Evaluación de la calidad de los DSMs. ................................................................ 115
5.4. RESULTADOS. ............................................................................................................................. 117
5.4.1. Precisión de los DSMs. ............................................................................................... 117
5.4.2. Completitud de los DSMs.......................................................................................... 124
5.4.3. Características Radiométricas. .............................................................................. 127
5.5. CONCLUSIONES. ........................................................................................................................ 129
5.6. BIBLIOGRAFÍA. .......................................................................................................................... 131
CAPÍTULO 6. EVALUACIÓN DE LA CALIDAD GEOMÉTRICA DE
ORTOIMÁGENES GENERADAS A PARTIR DE IMÁGENES DE SATÉLITE DE
MUY ALTA RESOLUCIÓN.................................................................................................. 137
6.1. INTRODUCCIÓN. ....................................................................................................................... 137
6.2. ZONA DE ESTUDIO Y DATOS DE PARTIDA. .................................................................. 140
6.2.1. Zona de estudio. ........................................................................................................... 140
6.2.2. Puntos de control y de comprobación. .............................................................. 140
6.2.3. Modelos digitales de elevaciones. ........................................................................ 140
6.2.3.1. Modelos digitales de elevaciones generados a partir de vuelos
fotogramétricos. ........................................................................................................... 142
6.2.3.2. Modelos digitales de elevaciones a partir de datos LiDAR. .......... 143
6.3. METODOLOGÍA. ......................................................................................................................... 145

iv