Esta Tesis, debido a lo particular de su temática y a la vinculación profesional del doctorando con organismos tecnológicos de investigación, se ha beneficiado de diversos trabajos que de una u otra manera han intervenido en la optimización metodológica de la Tesis, mediante la consecución secuencial de estas experiencias que han venido suponiendo verdaderos hitos, llevados a cabo siempre con espíritu crítico, método científico y en equipos interdisciplinares.
Los trabajos y proyectos más relevantes realizados por el doctorando o en los que ha participado activamente en el transcurso de la Tesis son:
• Detección integrada multiplataforma bajo foresta y follaje a partir de sistemas activos y pasivos. Ministerios de Defensa de España y Brasil, 2013.
• I2L - Inspección Inteligente de Líneas Aéreas. Plan Nacional de Investigación Científica, Desarrollo e Innovación Tecnológica, 2012.
• La ciudad celtibérica de Segeda y su territorio: estrategias de análisis y procesos históricos. CICYT, 2011.
• Caracterización geoquímica y detección de alteración hidrotermal en ambientes extremos y activos de Costa Rica: implicaciones en la exploración de Marte. Ministerio de Ciencia e Innovación, 2010.
53 DETECCIÓN DE PATRONES Y ANOMALÍAS ESPECTRALES DEL TERRENO MEDIANTE ESPECTROMETRÍA DE IMAGEN DE ALTA RESOLUCIÓN
• Desarrollo en nuevas tecnologías para la protección y preservación del patrimonio cultural y hábitats humanos en Honduras. Ministerio de Exteriores, 2010.
• SEN2FLEX - Sentinel1-2 and Fluorescent Experiment 2005. Comisión Europea, 2005.
• HYPERVAL - Estudio y Validación mediante Tecnologías Hiperespectrales. CICYT, 2005.
• Estudio de calidad hídrica en el Parque Regional del Sureste de la Comunidad de Madrid por técnicas de teledetección aeroportada. Comunidad de Madrid, 2004.
• Estudio de los vertidos de lodos de la mina de Aznalcóllar por técnicas de teledetección. Instituto Geominero de España - IGME, Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial - INTA y Centro de Estudios Hidrográficos - CEDEX, 2003.
1.6 OBJETIVOS DE LA TESIS
El objetivo principal que persigue esta Tesis es desarrollar una metodología para la detección de anomalías espectrales del terreno y reconocimiento de patrones a partir de la información proporcionada por sensores hiperespectrales o espectrómetros de imagen. Se analiza y evalúa la reducción de la dimensionalidad de los datos, caracterizando objetivos (targets) y fondos en diferentes escenarios ambientales para su consideración como anomalía espectral y/o patrón detectable. Se optimizan los métodos como aplicación para la extracción de rasgos identificativos de entidades en o bajo superficie en un proceso automatizado.
Para dar consecución a este objetivo principal, se propone una técnica innovadora para la detección de anomalías en imágenes hiperespectrales. Esta técnica permite identificar anomalías cuyas firmas son espectralmente diferentes de sus alrededores, sin ningún conocimiento a priori de la firma espectral de objetivo a detectar. Se basa en un ejercicio de proyección unidimensional con un índice térmico (Thermal IndexNormalized – THIN) como medida del interés.
La mejora que propone este método denominado Detector de Anomalías de Fondo Térmico o DAFT, tiene como fin evitar óptimos locales que podrían ser los óptimos globales en algunos casos donde no se discriminan con eficacia anomalías térmicas sobre fondo en el VNIR, o viceversa. Se argumenta que la técnica propuesta podría considerarse como la búsqueda de una proyección a partir de la distribución normal de subespacios del cubo de datos hiperespectrales, desdoblando como consecuencia los valores atípicos con el objetivo de “sacarlos a la luz”.
Este objetivo general se puede disgregar en otros más concretos, cuya consecución secuencial supone en sí misma los hitos a alcanzar en el plan de trabajo de la Tesis:
• Estudio de métodos de detección de anomalías y patrones a partir de sensores hiperespectrales o espectrómetros de imagen.
54 DETECCIÓN DE PATRONES Y ANOMALÍAS ESPECTRALES DEL TERRENO MEDIANTE ESPECTROMETRÍA DE IMAGEN DE ALTA RESOLUCIÓN
• Desarrollo, prueba y mejora de algoritmos matemáticos de detección de anomalías espectrales y reconocimiento de patrones a partir de datos hiperespectrales, con especial atención a la zona del espectro emisivo del infrarrojo térmico.
• Estudio de los modelos matemáticos para reducción de la dimensionalidad de los datos hiperespectrales.
• Mejorar la caracterización geométrica y radiométrica del sensor, y optimización del proceso de georreferenciación directa de la información extraída del sensor imagen a partir de los datos proporcionados por un sistema inercial de posicionamiento y orientación GPS/IMU (Inertial Measurement Unit).
• Analizar las potencialidades generales del método con el enfoque dirigido hacia la explotación de un sistema de cartografía en tiempo real.
1.7 ORGANIZACIÓN DE LA TESIS
El plan de trabajo de la investigación tiene 5 fases, que atienden al flujo de procesos habitual en un proyecto de investigación abordado desde teledetección. Las fases de la Tesis son las siguientes:
Fase 1. Adquisición, Calibración e Integración. Adquisición y proceso de datos hiperespectrales. Adquisición y proceso de datos inerciales de posicionamiento y orientación GPS/IMU.
Fase 2. Análisis y Reducción de la Información. Reducción de la dimensionalidad. Modelos estadísticos, análisis de componentes principales y fracción de mínimo ruido.
Fase 3. Detección de Anomalías y Reconocimiento de Patrones Espectrales.
Extracción de Información. Análisis exploratorios. Extracción de miembros puros (end members), Índice de Pureza del Píxel (PPI), Índice Térmico Normalizado (THIN), inercia térmica y patrones térmicos. Implementación de algoritmos de detección.
Fase 4. Preproceso de Imagen. Preproceso radiométrico. Automatización y Georreferenciación Directa. Optimización del modelo de colinealidad a partir de datos GPS/IMU. Minimización del ruido y clasificación digital no supervisada. Fase 5. Validación. Ensayos y tests multiescenario y multifuente. Análisis de resultados y discusión.
Estas fases se organizan en la Tesis en distintos capítulos, que necesariamente no estructuran transversalmente las mismas (ver Figura 1.2). A continuación se describe el contenido y un avance de las conclusiones más importantes que se derivan de los capítulos de esta Tesis doctoral.
55 DETECCIÓN DE PATRONES Y ANOMALÍAS ESPECTRALES DEL TERRENO MEDIANTE ESPECTROMETRÍA DE IMAGEN DE ALTA RESOLUCIÓN
CAPÍTULO 1: resume el Estado del Arte en Detección de Anomalías Espectrales y el