CAPÍTULO 5. EVALUACIÓN MULTIESCENARIO 147 5.1 EXPERIMENTACIÓN INTRODUCCIÓN
D.2 COMUNICACIONES EN CONGRESOS
1.2.2 Aplicación de las Anomalías Espectrales
La comunidad científica internacional lleva prestando gran atención desde hace varios años a la detección de anomalías mediante espectrometría de imagen debido a sus altas expectativas y potenciales aplicaciones. Gracias a sus cualidades en cuanto a automatización de procesos de detección no intrusiva y clasificación no supervisada, a lo que se añade la característica común en teledetección en lo referente a la posibilidad de monitorizar amplias regiones de terreno, remotas e inaccesibles incluido, hace de la detección de anomalías una de las herramientas que podemos encontrar prácticamente en la mayoría de las aplicaciones tanto en ámbitos civiles como militares.
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En esta última área de actuación, hay que hacer notar el importante auge que se impulsa a partir de 2001 en Defensa y Seguridad por parte del Gobierno de EE.UU. principalmente, favoreciendo la investigación en espectrometría de imagen y detección de anomalías. Eisman y colegas (Eisman et al., 2009) desarrollan un sistema completo de localización y rescate en situaciones de colisión y pérdida de aviones y tripulación, calculando anomalías a partir de espectrómetros de alta resolución para detectar los restos sobre un fondo natural.
Otra aplicación, podríamos decir sobre la que se lleva poniendo el foco desde hace décadas por su evidente interés en la seguridad y salud humanas, es la detección de minas antipersona enterradas (Winter, 2004; 2005). En esta tarea también podemos encontrar interesantes experiencias aplicando métodos concretos de detección de anomalías, como el implementado por Nasrabadi (Nasrabadi 2008) fusionando datos hiperespectrales y radar de apertura sintética (este último con cierta capacidad de penetración en el terreno) para la localización de minas sobre un fondo en caminos de tierra.
Las aplicaciones medioambientales asociadas con catástrofes naturales o situaciones de riesgo suponen también otro de los ejemplos habituales de uso de la detección de anomalías para la extracción de la información. Uno de los casos más llamativos, sobre el que se han volcado grandes recursos económicos y de investigación, es el que tiene que ver con los incendios forestales. El profesor Aitor Bastarrica de la Universidad del País Vasco realiza (Bastarrica, 2010) un muy interesante desarrollo basado en crecimiento de regiones para dimensionar áreas quemadas, contrastando diferentes métodos de clasificación no supervisada de distintas tipologías de incendios, gran parte de las cuales presentan respuestas anómalas en datos multiespectrales sobre fondo natural.
La contaminación térmica en el agua, continental y oceánica, es otra de las actividades en las que se ha aplicado con éxito la detección de anomalías. En (Fernández et al., 2000) encontramos un buen ejemplo de detección de puntos fríos y calientes de agua en la costa de Mallorca, cuyo objetivo último era la localización de surgencias de agua dulce en el mar Mediterráneo.
La Prospección Mineralógica mediante exploración remota, algunas veces asociada a catástrofes naturales como puedan ser los vertidos mineros y avalanchas consecuentes (Antón-Pacheco et al., 2000), así como la Exploración Planetaria
suponen aplicaciones reales y potenciales de la detección de anomalías por espectrometría de imagen, como atestiguan un gran volumen de experiencias en estos campos (Delendatti, 2006; Rejas et al., 2012).
La Prospección Geofísica por métodos actuales como Georádar o GPR (Ground Penetration Radar) se sirve muchas veces de la detección de anomalías por teledetección, y viceversa, para validar las anomalías del terreno. Un claro e interesante ejemplo es la investigación llevada a cabo en Indonesia por Till Sonennman (Sonnemann, 2011), donde contrasta los resultados geofísicos mediante radar de apertura sintética y espectrómetros de imagen satelitales.
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Debido a la potencialidad de detección de restos creados por el hombre en base a la respuesta anómala en superficie que este tipo de objetos o superficies pueda inducir en su entorno, la Arqueología se muestra como otra de las potenciales actividades en las que la espectrometría de imagen y la detección de anomalías se posiciona crecientemente como demuestran las últimas experiencias (Rejas et al., 2009; Rejas et al., 2012).
Otro potencial campo de aplicación de las anomalías espectrales es en la caracterización de patologías o estados de materiales compuestos cerámicos, de mampostería, hormigones o metálicos. Esto hace de esta técnica apta en la obtención de resultados satisfactorios en estudios de Arqueometría, Patrimonio Arquitectónico e Ingeniería Civil. Experiencias en este sentido las encontramos por ejemplo en (Farjas et al., 2010).
1.3 REFERENCIAS SIGNIFICATIVAS
Esta Tesis ha estado influenciada directamente por la investigación y las publicaciones de una serie de personas, cuyo trabajo se menciona con regularidad en la misma.
En relación con métodos de detección de anomalías, por supuesto están presentes constantemente los autores Reed y Xiaoli, por suponer el verdadero punto de inflexión en esta técnica de tratamiento de imagen. Otros autores, como Alonso y Malpica, Borghys, Chang, Duran y Petrou, Hsueh, Manolakis, Nasrabadi, Schaum, Soofbaf, Stein, Takahashi, se han adoptado como referencias importantes en el desarrollo de esta Tesis, principalmente en el enfoque matemático del problema abordado.
Otras referencias se han observado con detalle, en particular, sobre el diseño de la experimentación y uso de sensores hiperespectrales en detección de anomalías. De esta manera se consideran especialmente relevantes los trabajos de autores como Acito, Adler-Golden, Bar, Bellucci, Borghys, Cheriyadat, Duran y Petrou, Eismann, Del Frate, Goovaerts, Hsueh, Matteoli o Nasrabadi.
Un número menor de referencias se han considerado especialmente significativas por las aplicaciones y potenciales posibilidades de detección de anomalías que de ellas se desprenden o apuntaban. Así se ha seguido con interés a los autores Bellucci, Eismann, Nasrabadi y Penn.
En el caso de esta Tesis, al estar tan unida la tecnología con la metodología, se ha tenido especial atención a referencias sobre Espectrometría de Imagen o Teledetección Hiperespectral como la aportada por los autores: Goetz, Schaum, Ustin, Poli y Winter.
Sobre el fundamento físico de teledetección y análisis espectral de firmas, se ha adoptado en esta Tesis como especiales referencias los libros y artículos científicos
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de los autores Emilio Chuvieco y José Antonio Sobrino. Sobre métodos de reducción de la dimensionalidad de datos hiperespectrales la principal referencia seguida ha sido al Profesor Landgrebe, mientras que para el de la experimentación mediante espectrometría de imagen, una de las referencias que se ha seguido especialmente ha sido Freek D. van der Meer y Steven M. de Jong.
1.4 OPORTUNIDAD E INTERÉS
Un termómetro adecuado en relación con las oportunidades e interés que suscita la detección de anomalías mediante espectrometría de imagen lo supone el número, tipo y calidad de eventos y organismos dedicados a ello o que prestan una atención especial al mismo, extendiéndose dicho interés a lo largo del tiempo.
La sociedad internacional ISPRS, International Society for Photogrammetry and Remote Sensing (http://www.isprs.org/) viene estructurándose desde su creación en comisiones de investigación a su vez integradas por grupos de trabajo dedicados a una actividad o área de conocimiento concretos. Varios de estos grupos de trabajo, y por lo tanto varias de sus comisiones, investigan tanto en técnicas como en tecnologías de espectrometría de imagen, incluida la detección de anomalías.
Desde la primera de las comisiones, la Comisión I - Sensors and Platforms for Remote Sensing, cuyos temas de referencia son la adquisición y preprocesado de los datos, la calibración geométrica y radiométrica de los mismos, así como el desarrollo de sensores imagen ópticos y no ópticos, desarrollos de test y campos de intercalibración in situ y en vuelo, así como la integración de datos y sensores, la ISPRS juega un importantísimo papel prestando interés y ofreciendo desde el propio origen de la actividad, la creación de tecnología que lo hace posible, oportunidades para la investigación y desarrollo en la adquisición y explotación de datos geoespaciales, entre los que se encuentran de manera muy significada los espectrómetros de imagen.
Si bien todas las comisiones de la ISPRS están interconectadas y relacionadas, y todas ofrecen oportunidades e interés para el objeto de esta Tesis, es la Comisión VII - Thematic Processing, Modeling and Analysis of Remotely Sensed Data, por centrar su temas de referencia en metodologías de extracción de información a partir de datos remotamente adquiridos, y la Comisión VIII - Remote Sensing Applications and Policies, por estar volcada a las políticas y aplicaciones de teledetección, las que más relacionadas estarían en este momento actual de la ISPRS (los temas de referencia varían moderadamente, al igual que las comisiones y grupos de trabajo en cada presidencia) con la detección de anomalías a partir de datos procedentes de espectrómetros de imagen. A este respecto y dentro de la Comisión VII caben destacar los grupos de trabajo WG VII/3 - Information Extraction from Hyperspectral Data, WG VII/4 - Methods for Image Classification y WG VII/5 - Methods for Change Detection and Process Modelling como oportunidades específicas para el objeto de esta Tesis.
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Dentro de la Comisión I hay que destacar los grupos de trabajo WG I/4 - Geometric and Radiometric Modeling of Optical Airborne and Spaceborne Sensors y ICWG I/Vb - Unmanned Vehicle Systems (UVS): Sensors and Applications en lo relativo a las estrategias y calidad de los datos procedentes de espectrómetros de imagen, que evidentemente influirán en los resultados obtenidos a partir de ellos.
De la Comisión VIII cabría destacar los grupos de trabajo WG VIII/1 - Disaster and Risk Reduction, WG VIII/2 – Health, WG VIII/7 - Forestry, Natural Ecosystems & Biodiversity y WG VIII/8 - Land Cover and its Dynamics, Including Agricultural & Urban Land Use como oportunidades de aplicación e interés concretos de la detección de anomalías por espectrometría de imagen en el marco de proyectos o estudios interdisciplinares.
Existe con un interés claro un crecimiento desde hace unas décadas de eventos científicos particularizados a la investigación de sensores y datos hiperespectrales. Se trata de reuniones muy específicas y técnicas, en las que la comunidad científica expone los avances y las tendencias en cuanto a métodos y experiencias en espectrometría de imagen. Por ejemplo, el congreso internacional IEEE WHISPERS – Whorkshop on Hyperspectral Image and Signal Processing: Evolution in Remote Sensing (www.core.ieee-whispers.com) que se celebra anualmente, reúne una abundante literatura específica en relación con metodología computacional y métodos cuantitativos a partir de datos hiperespectrales, concentrando un importante volumen de trabajos de elevada calidad.
Dos organizaciones españolas representan un interés directo en el ámbito de la detección de anomalías espectrales, la Sociedad Española de Cartografía, Fotogrametría y Teledetección – SECFT (www.secft.org/) y la Asociación Española de Teledetección – AET (www.aet.org.es/). Ambas mantienen publicaciones de prestigio, Boletín Informativo de la SECFT y Revista de Teledetección de la AET, que suponen oportunidades para contrastar trabajos científicos, entre los que usualmente versan materias relacionadas estrechamente con esta Tesis.
La SECFT es además el representante oficial español de dos organizaciones internacionales muy relevantes, ISPRS ya mencionado, e International Cartography Association – ICA. Este último es obviamente el referente mundial sobre métodos y aplicaciones cartográficos, por lo tanto, una relevante oportunidad para la metodología desarrollada en esta Tesis en cuanto a las aplicaciones cartográficas que de ella se deducen.
La AET es otro gran referente, el más influyente en el ámbito específico de la teledetección en el espacio iberoamericano. Desarrolla un congreso internacional trianual en el que se dan cita expertos españoles y latinoamericanos, dando lugar a un encuentro con propuestas y experiencias científico-técnicas de gran calidad. Mención aparte hay que hacer al mundo, en expansión y cada vez más influyente, de las Geociencias, también llamadas Ciencias de la Tierra. La presente Tesis aborda desde un enfoque tecnológico y metodológico varias de las disciplinas y potenciales
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aplicaciones de las Geociencias. Un organismo de excelencia en Ciencias de la Tierra es el Instituto de Geociencias - IGEO (www.igeo.ucm-csic.es) perteneciente al Centro Superior de Investigaciones Científicas – CSIC, que se ofrece como oportunidad para ampliar y profundizar en materias y aplicaciones de esta investigación, sobre todo en lo referente a Exploración Planetaria, así como en Análisis y Predicción de Catástrofes Naturales.
Como cierre en tránsito de este apartado, que no definitivo ya que las oportunidades actuales y las que se abren son crecientes, hay que hacer una mención especial al área de conocimiento dedicado a la tecnología aplicada al Patrimonio, a su estudio y protección. En este sentido la espectrometría de imagen en su conjunto, con la detección de anomalías como uno de sus exponentes relevantes en lo referente a una técnica abierta de gran potencial, se ofrecen desde las últimas décadas del siglo pasado como tecnología emergente. Basta mencionar varios eventos como ejemplo del interés de la comunidad científica dedicada al Patrimonio en sus distintas acepciones. Esta realiza periódicamente convocatorias para desarrollar y contrastar proyectos tanto en el aspecto formal de investigación en el Patrimonio, como en el operativo y comercial. Dos eventos importantes prestan un especial interés a la espectrometría de imagen como una de las tecnologías a tener en cuenta en Patrimonio, el seminario internacional From Space to Place – Special Workshop on Archaeological Remote Sensing y la conferencia internacional Digital Heritage
(www.digitalheritage2013.org).