Grupo RNM-368 Gestión Integrada del Territorio y Tecnologías de la Información Espacial

1. Jornadas sobre cartografía y geomática: técnicas eficientes para la gestión eficiente del territorio Grupo RNM-368 Gestión Integrada del Territorio y Tecnologías de la Información Espacial INTEGRACIÓN Y ANÁLISIS EXPLORATORIO DE DATOS GEOESPACIALES MULTIFUENTE PARA EL SEGUIMIENTO Y MODELADO DE LA EVOLUCIÓN Y VULNERABILIDAD DE ÁREAS COSTERAS Proyecto de Excelencia P08-RNM-03575 (2009-2012) Dr. Fernando J. Aguilar Torres Profesor Titular de la Universidad de Almería Departamento de Ingeniería Rural

2. Grupo RNM-021 Gestión Integrada del Territorio y Tecnologías de la Información Espacial 1. Antecedentes ANTECEDENTES OBJETIVOS Más de la mitad de la población del planeta vive a menos de 60 Km de la línea de costa. En España, algo más del 44% de la población vive en municipios costeros (que constituyen a penas un 7% del territorio total). ÁREA TRABAJO DESARROLLO Objetivo 1 Objetivo 2 CONCLUSIONES • Incremento zonas urbanizadas (sellado del suelo) • Falta de planificación • Extracción de arenas para invernaderos Presión antrópica Rotura del equilibrio ¿Es sostenible esta situación a medio-largo plazo? 1

3. Grupo RNM-021 Gestión Integrada del Territorio y Tecnologías de la Información Espacial 1. Antecedentes ANTECEDENTES OBJETIVOS El IPCC (Intergovernmental Panel of Climate Change) señala a la región del Mediterráneo (sobre todo zonas áridas y semiáridas) como las que más intensamente sufrirán las consecuencias de las variaciones del clima. ÁREA TRABAJO DESARROLLO Objetivo 1 Objetivo 2 CONCLUSIONES + 1 m SLR + 4 m SLR 2

4. Grupo RNM-021 Gestión Integrada del Territorio y Tecnologías de la Información Espacial 1. Antecedentes ANTECEDENTES OBJETIVOS El Plan Andaluz de Medio Ambiente 2004-2010 dedica un área estratégica a la GESTIÓN AMBIENTAL INTEGRADA DEL LITORAL ÁREA TRABAJO DESARROLLO • Obtención de datos georreferenciados (*) • Extracción de información • Generación de conocimiento • Generación de modelos • Toma de decisiones Objetivo 1 Objetivo 2 CONCLUSIONES MONITORING • ¿Cómo podemos abordar una metodología eficiente, precisa e integrada para el monitoreo de nuestras costas y urbanizaciones litorales? • Cuáles podrían ser las aplicaciones inmediatas de dicha metodología? (*) Shupeng, C. and J. van Gendereng, 2008. Digital Earth in support of global change research. International Journal of Digital Earth, 1(1), 43-65. 3

5. Grupo RNM-021 Gestión Integrada del Territorio y Tecnologías de la Información Espacial 2. Objetivos ANTECEDENTES OBJETIVOS 1) Aplicación, integración y desarrollo de técnicas geomáticas para el estudio de la evolución de la línea de costa y la franja litoral a partir de MDEs y MDSs obtenidos a partir de vuelos fotogramétricos multitemporales y Láser Escáner Aerotransportado. 2) Desarrollo y evaluación de técnicas basadas en la integración-fusión de datos georreferenciados y segmentación de objetos para la detección automática y eficiente de zonas impermeables, edificios e infraestructuras en entornos costeros. 3) Introducción del análisis exploratorio de datos para el modelado de la influencia del crecimiento urbano litoral en los procesos de erosión y/o acreción costera. Aplicación de técnicas geoestadísticas y de regresión y autocorrelación espacial. 4) Aplicación de la información recopilada a lo largo de la consecución de los objetivos anteriores en la delineación del área inundada de una zona costera ante diferentes escenarios de riesgo como pueden ser: incremento del nivel del mar como consecuencia del cambio climático, episodios de fuertes tormentas durante marea alta (storm surge), escorrentía y desbordamiento de ramblas y ríos, escorrentía urbana, etc. ÁREA TRABAJO DESARROLLO Objetivo 1 Objetivo 2 CONCLUSIONES 4

6. Grupo RNM-021 Gestión Integrada del Territorio y Tecnologías de la Información Espacial 3. Área de trabajo ANTECEDENTES OBJETIVOS ÁREA TRABAJO DESARROLLO Objetivo 1 Objetivo 2 CONCLUSIONES 5

7. 4. Desarrollo Grupo RNM-021 Gestión Integrada del Territorio y Tecnologías de la Información Espacial ANTECEDENTES OBJETIVOS • Objetivo 1: Aplicación, integración y desarrollo de técnicas geomáticas para el estudio de la evolución de la línea de costa y franja litoral ÁREA TRABAJO DESARROLLO Objetivo 1 Objetivo 2 • Vuelos fotogramétricos históricos desde 1956-57 (vuelo americano) a distintas escalas y con/sin certificado de calibración de cámara (self-calibration). • Vuelos fotogramétricos de nueva ejecución con cámara digital DMC Intergraph RGB+Ir (tamaño pixel terreno = 0,15 m) y ALS (LiDAR ALS50-II Leica) con densidad de puntos 1,32 puntos/m2 y alta precisión vertical (0,15 m). CONCLUSIONES 6

8. 4. Desarrollo Grupo RNM-021 Gestión Integrada del Territorio y Tecnologías de la Información Espacial ANTECEDENTES OBJETIVOS • Objetivo 1: Aplicación, integración y desarrollo de técnicas geomáticas para el estudio de la evolución de la línea de costa y franja litoral ÁREA TRABAJO DESARROLLO Objetivo 1 Objetivo 2 ESTEREOMATCHING CONCLUSIONES Modelo analógico basado en curvas de nivel Z = f(x,y) Modelo Digital de Elevaciones 7

9. 4. Desarrollo Grupo RNM-021 Gestión Integrada del Territorio y Tecnologías de la Información Espacial ANTECEDENTES OBJETIVOS • Objetivo 1: Aplicación, integración y desarrollo de técnicas geomáticas para el estudio de la evolución de la línea de costa y franja litoral ÁREA TRABAJO DESARROLLO Objetivo 1 Objetivo 2 Diferencias entre z MDE y z GPS precisión CONCLUSIONES Selección de Check points (N) RMSE y Error Medio Check Points Error (ZMDEi -ZCPi = ei) 8

10. 4. Desarrollo Grupo RNM-021 Gestión Integrada del Territorio y Tecnologías de la Información Espacial ANTECEDENTES OBJETIVOS • Objetivo 1: Aplicación, integración y desarrollo de técnicas geomáticas para el estudio de la evolución de la línea de costa y franja litoral ÁREA TRABAJO DESARROLLO Objetivo 1 Objetivo 2 CONCLUSIONES Leptokurtosis 2>0 Platokurtosis 2<0 Aguilar F.J. et al., 2007. A theoretical approach to modelling the accuracy assessment of DEMs. Photogrammetric Engineering & Remote Sensing 73(12) 9

11. 4. Desarrollo Grupo RNM-021 Gestión Integrada del Territorio y Tecnologías de la Información Espacial ANTECEDENTES OBJETIVOS • Objetivo 1: Aplicación, integración y desarrollo de técnicas geomáticas para el estudio de la evolución de la línea de costa y franja litoral ÁREA TRABAJO DESARROLLO Objetivo 1 Objetivo 2 CONCLUSIONES MDE ez elc MSL Ground truth tgα 10

12. 4. Desarrollo Grupo RNM-021 Gestión Integrada del Territorio y Tecnologías de la Información Espacial ANTECEDENTES OBJETIVOS • Objetivo 1: Aplicación, integración y desarrollo de técnicas geomáticas para el estudio de la evolución de la línea de costa y franja litoral ÁREA TRABAJO DESARROLLO Objetivo 1 Utilización de LiDAR-MDEs (relieve sombreado) como referencia para la obtención de puntos terreno (X,Y,Z) y orientación exterior de fotogramas históricos Objetivo 2 CONCLUSIONES 11

13. 4. Desarrollo Grupo RNM-021 Gestión Integrada del Territorio y Tecnologías de la Información Espacial ANTECEDENTES OBJETIVOS • Objetivo 1: Aplicación, integración y desarrollo de técnicas geomáticas para el estudio de la evolución de la línea de costa y franja litoral ÁREA TRABAJO DESARROLLO Objetivo 1 Utilización de LiDAR-MDEs como referencia para la obtención de MDEs procedentes de vuelos históricos mediante surface-matching Objetivo 2 CONCLUSIONES 12

14. 4. Desarrollo Grupo RNM-021 Gestión Integrada del Territorio y Tecnologías de la Información Espacial ANTECEDENTES OBJETIVOS • Objetivo 1: Aplicación, integración y desarrollo de técnicas geomáticas para el estudio de la evolución de la línea de costa y franja litoral ÁREA TRABAJO DESARROLLO Objetivo 1 Utilización de LiDAR-MDEs como referencia para la obtención de MDEs procedentes de vuelos históricos mediante surface-matching Objetivo 2 CONCLUSIONES 13

15. 4. Desarrollo Grupo RNM-021 Gestión Integrada del Territorio y Tecnologías de la Información Espacial ANTECEDENTES OBJETIVOS • Objetivo 1: Aplicación, integración y desarrollo de técnicas geomáticas para el estudio de la evolución de la línea de costa y franja litoral ÁREA TRABAJO DESARROLLO Objetivo 1 Utilización de LiDAR-MDEs como referencia para la obtención de MDEs procedentes de vuelos históricos mediante surface-matching Objetivo 2 CONCLUSIONES Mínimos cuadrados sin peso: transformación Helmert 3D con función objetivo tipo LZD Refino solución Estimador robusto Tukey’s Biweight Iterar hasta convergencia Cálculo del modelo diferencial dZi Asignación de pesos binarios a cada punto Aplicación de mínimos cuadrados con peso (Helmert 3D) hasta convergencia Aplicación de mínimos cuadrados con peso (Helmert 3D) 14

16. 4. Desarrollo Grupo RNM-021 Gestión Integrada del Territorio y Tecnologías de la Información Espacial ANTECEDENTES OBJETIVOS • Objetivo 2: Detección automática de zonas impermeables, edificios e infraestructuras en entornos costeros a partir de datos multitemporales y multifuente ÁREA TRABAJO DESARROLLO Objetivo 1 Segmentación de una imagen: La variabilidad espectral de los píxeles de una clase da lugar a una región, no un solo punto, en un espacio n-dimensional Objetivo 2 CONCLUSIONES Los píxeles pertenecientes a la clase terreno desnudo ocupan una región diferente a los de la clase vegetación 15

17. Vegetación Suelo desnudo Urbanizado Imagen digital 4. Desarrollo Grupo RNM-021 Gestión Integrada del Territorio y Tecnologías de la Información Espacial ANTECEDENTES OBJETIVOS • Objetivo 2: Detección automática de zonas impermeables, edificios e infraestructuras en entornos costeros a partir de datos multitemporales y multifuente ÁREA TRABAJO DESARROLLO Objetivo 1 Clasificación supervisada Firmas espectrales Objetivo 2 CONCLUSIONES Área de vegetación Área urbanizada Área de suelo desnudo 16

18. Vegetación Suelo desnudo Urbanizado ¿Clase? 4. Desarrollo Grupo RNM-021 Gestión Integrada del Territorio y Tecnologías de la Información Espacial ANTECEDENTES OBJETIVOS • Objetivo 2: Detección automática de zonas impermeables, edificios e infraestructuras en entornos costeros a partir de datos multitemporales y multifuente ÁREA TRABAJO DESARROLLO Objetivo 1 Imagen multiespectral Imagen Clasificada Objetivo 2 CONCLUSIONES Signatura espectral del píxel que va a ser clasificado 17

19. 4. Desarrollo Grupo RNM-021 Gestión Integrada del Territorio y Tecnologías de la Información Espacial ANTECEDENTES OBJETIVOS • Objetivo 2: Detección automática de zonas impermeables, edificios e infraestructuras en entornos costeros a partir de datos multitemporales y multifuente ÁREA TRABAJO DESARROLLO Objetivo 1 • Problemas métodos clásicos: • Distribución normal multivariante para cada clase (estadística paramétrica) • Clasificación píxel a píxel (pérdida de la información de vecindad y disminución de la eficiencia) • Falta de información en zonas radiométricamente variables que genera malas clasificaciones Objetivo 2 CONCLUSIONES 17

20. 4. Desarrollo Grupo RNM-021 Gestión Integrada del Territorio y Tecnologías de la Información Espacial ANTECEDENTES OBJETIVOS • Objetivo 2: Detección automática de zonas impermeables, edificios e infraestructuras en entornos costeros a partir de datos multitemporales y multifuente ÁREA TRABAJO DESARROLLO Objetivo 1 Objetivo 2 Se necesitan nuevas estrategias basadas en la fusión de datos y en la clasificación de objetos, más que píxeles, para trabajar con imágenes de muy alta resolución geométrica CONCLUSIONES • Cuatro estrategias básicas están siendo abordas en el contexto de este proyecto dentro del vector de atributos: • Integración de la textura e información espacial (vecindad) para la mejora de la clasificación por píxeles • Segmentación y clasificación de objetos, más que de píxeles (region-merging techniques) heterogeneidad = wcolorΔhcolor + wformaΔhforma • Fusión de datos integrando información morfológica 3D (datos LiDAR) • Aplicación de clasificadores no paramétricos basados en Machine Learning (reglas de decisión generadas automáticamente a partir de áreas de entrenamiento mediante métodos inductivos) 18

21. 4. Desarrollo Grupo RNM-021 Gestión Integrada del Territorio y Tecnologías de la Información Espacial ANTECEDENTES OBJETIVOS • Objetivo 2: Detección automática de zonas impermeables, edificios e infraestructuras en entornos costeros a partir de datos multitemporales y multifuente ÁREA TRABAJO DESARROLLO Objetivo 1 Incorporación de datos altimétricos LiDAR Objetivo 2 CONCLUSIONES 19

22. 4. Desarrollo Grupo RNM-021 Gestión Integrada del Territorio y Tecnologías de la Información Espacial ANTECEDENTES OBJETIVOS • Objetivo 2: Detección automática de zonas impermeables, edificios e infraestructuras en entornos costeros a partir de datos multitemporales y multifuente ÁREA TRABAJO DESARROLLO Objetivo 1 Filtrado y Modelo Digital de Superficie Objetivo 2 CONCLUSIONES 20

23. 4. Desarrollo Grupo RNM-021 Gestión Integrada del Territorio y Tecnologías de la Información Espacial ANTECEDENTES OBJETIVOS • Objetivo 2: Detección automática de zonas impermeables, edificios e infraestructuras en entornos costeros a partir de datos multitemporales y multifuente ÁREA TRABAJO DESARROLLO Objetivo 1 Objetivo 2 CONCLUSIONES Obtención del modelo de alturas de objetos h = (MDS-MDT) h MDT MDS 21

24. 4. Desarrollo Grupo RNM-021 Gestión Integrada del Territorio y Tecnologías de la Información Espacial ANTECEDENTES OBJETIVOS • Objetivo 2: Detección automática de zonas impermeables, edificios e infraestructuras en entornos costeros a partir de datos multitemporales y multifuente ÁREA TRABAJO DESARROLLO Objetivo 1 Objetivo 2 MULTILAYER COORDINATED CLUSTERS Integración de color y textura en un mismo vector de características CONCLUSIONES 22

25. 4. Desarrollo Grupo RNM-021 Gestión Integrada del Territorio y Tecnologías de la Información Espacial ANTECEDENTES OBJETIVOS • Objetivo 2: Detección automática de zonas impermeables, edificios e infraestructuras en entornos costeros a partir de datos multitemporales y multifuente ÁREA TRABAJO DESARROLLO Objetivo 1 Generación de reglas de decisión “difusas” basadas en árboles de decisión (Machine Learning) y los atributos evaluados para cada objeto o píxel Objetivo 2 CONCLUSIONES HIPÓTESIS REGLAS CONDICIONES 23

26. 5. Conclusiones Grupo RNM-021 Gestión Integrada del Territorio y Tecnologías de la Información Espacial ANTECEDENTES OBJETIVOS ÁREA TRABAJO La consecución de los objetivos planteados en este proyecto de investigación permitirá obtener información relevante y desarrollar herramientas útiles para la toma de decisiones en relación a la gestión de nuestras costas. A lo largo de la exposición desarrollada se ha puesto de relieve la preocupante situación medioambiental que amenaza el futuro de nuestro litoral, agravada, si cabe, por el incipiente proceso de cambio climático al que nos vemos abocados. Aunque es responsabilidad de las instituciones públicas competentes el tomar decisiones y medidas de prevención al respecto, no es menos cierto que los científicos debemos proveer los modelos y herramientas de simulación apropiadas para garantizar, conociendo y aportando la incertidumbre de los datos que manejamos, que esas decisiones sean lo más acertadas posibles. DESARROLLO Objetivo 1 Objetivo 2 CONCLUSIONES GRACIAS POR SU ATENCIÓN 24