Una metodología para la especificación, evaluación y generación de información de una librería de datos multiespectrales próximos y remotos

Abstract

RESUMEN
Una de las principales motivaciones para desarrollar esta tesis doctoral ha sido el enorme interés que despierta en estos momentos la gestión de los recursos naturales de nuestro planeta. En esa línea, el trabajo de investigación llevado a cabo establece un marco metodológico que permite la especificación, evaluación y generación de información relativa a la respuesta espectral de cubiertas terrestres correspondientes a un ecosistema Mediterráneo. Para ello, el documento presenta un protocolo estructurado, completo y riguroso de recopilación de información procedente de registros espectrales de componentes puros en campo próximo (endmembers) como base fundamental para los nuevos algoritmos propuestos. La información generada durante todo el proceso será posible, además, incorporarla a una librería de datos espectrales registrados tanto en campo próximo como en campo remoto. Por otro lado las dimensiones de los píxeles espaciales que se manejan actualmente procedentes tanto de los sensores multiespectrales como hiperespectrales contienen un gran número de componentes que contribuyen a la medida del espectro final. En consecuencia, el deseo de extraer a partir de dicho espectro los materiales que componen la mezcla así como sus proporciones es vital para numerosas aplicaciones. La complejidad y en ocasiones la no linealidad de la respuesta espectral mixta obtenida por los sensores remotos requiere nuevos algoritmos de modelado que tengan en cuenta la contribución de la respuesta conjunta de los componentes que generan dicha información. Con esta idea en mente, este documento presenta nuevos modelos de mezcla analizando sus propiedades tanto desde un punto de vista estadístico como inferencial. Además la tesis desarrolla diversos métodos para la construcción de estimadores óptimos a partir de las muestras tomadas en campo próximo en función de las características del terreno analizado. Estos estimadores permitirán no sólo establecer intervalos de confianza y test de hipótesis acerca de los parámetros del modelo de regresión empleado sino también evaluar los valores reales de las medidas de los endmembers existentes en la zona de estudio. Se presenta igualmente un nuevo método de generación de algoritmos de mezcla no lineal denominado MLRP (Multiple Layer Radiance Pattern), basado en los conceptos de “frondosidad” y “nivel de presencia” de las diferentes cubiertas en la zona analizada. Este nuevo método combina dos enfoques distintos para la mezcla. Por un lado una visión matemática basada en estimadores de mínimos cuadrados y por otro una aproximación física al problema basada en las interacciones (reflexiones, absorciones y transmisiones del flujo lumínico) que tienen lugar en las diferentes capas que conforman las cubiertas analizadas. Con esta doble aproximación se generan nuevos términos de tipo polinomial que serán los elementos básicos para la construcción de los modelos de mezcla no lineal más eficientes. Finalmente los perfiles espectrales de interés obtenidos a partir de los píxeles de una imagen remotamente registrada se comparan con los espectros modelados que se obtienen como resultado de los modelos propuestos. De este modo, los datos espectrales y los resultados del análisis de correlación podrán ser incluidos en una biblioteca o librería espectral integrada.
ABSTRACT
One of the principal motivations to develop this doctoral thesis has been the enormous interest that nowadays arouses the management of the natural resources of our planet. In this line, the work of investigation carried out establishes a methodological frame that allows the specification, evaluation and generation of information relative to the spectral response of terrestrial covers corresponding to a Mediterranean ecosystem. For that, the document presents a complete and rigorous ground-truth data collection protocol proceeding from spectral records of pure components (endmembers) as fundamental base for the new proposed algorithms. The information generated during the process will be able to incorporate into an electronic spectral library containing information from spectral data registered both in field and in remote sensing methods. Currently, the spatial pixel sizes for multispectral and hyperspectral sensors are often large and because of it, a great number of disparate substances can contribute to the spectrum measured from a single pixel. Consequently, the desire to extract from a spectrum the constituent materials in the mixture, as well as the proportion in which they appear, is important to numerous tactical scenarios in which subpixel detail is valuable. The complexity and in occasions the non linearity of the spectral mixed response obtained by the remote sensors needs new algorithms of modelling that bear in mind the contribution of the joint response of the components that generate the above mentioned information. With this goal in mind, this document presents new models of linear mixture analyzing its properties so much from a statistical point of view as inferencial. In addition, the thesis also develops several methods for the construction of optimal estimators obtained from the samples that take into account the characteristics of the analyzed area. These estimators will allow not only to establish intervals of confidence and test of hypothesis over of the parameters of the regression model but also to evaluate the real measures of the existing endmembers in the study zone. The thesis presents equally a new method of generation of algorithms of non linear mixture named MLRP (Multiple Layer Radiance Pattern), based on the concepts of “luxuriance” and “presence” of the different covers in the analyzed zone. This new method combines two different approaches. On one hand, a mathematical point of view based on least squared estimators methods and on the other hand a physical approximation based on the interactions (reflections, absorptions and transmissions of illuminating solar radiation) that take place in the different layers that conform the analyzed covers. From this double approach a set of new polinomial type terms appear, that will constitute the basic elements for the construction of more efficient non linear mixing models. Finally the spectral profiles of interest obtained from the pixels of a remotely registered image are compared with the modelled spectra that are obtained as result of the proposed models. Thus, the spectral information and the results of the analysis of correlation will be able to be included in an electronic integrated spectral library.