Este documento describe un método para contar árboles de forma automática en parcelas agrícolas usando software libre. Explica la transformada de Hough, que se puede usar para detectar líneas rectas en imágenes y así reconocer la estructura de las parcelas. El objetivo es explorar el análisis automático de imágenes SIG mediante software libre y aprender a reconocer programáticamente la estructura de las parcelas usando la transformada de Hough.

1. Introducci´n y teor´
o ıa AForge.NET RAPID Resultados y discusi´n
o Referencias
RAPID: Rough Agricultural Plot IDentifier
Un contador de ´rboles con software libre
a
Benito M. Zaragoz´
ı
Jornadas de Geograf´ 3.0, 26 de octubre, 2011
ıa
http://www.gisandchips.org
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2. Introducci´n y teor´
o ıa AForge.NET RAPID Resultados y discusi´n
o Referencias
Introducci´n y teor´
o ıa
Realizaci´n de inventarios masivos de
o
recursos
Entre las muchas aplicaciones de la fotointerpretaci´n, una muy
o
conocida en Espa˜a es el SIGPAC
n
(http://es.wikipedia.org/wiki/SIGPAC). Tanto en esta base
de datos como en otras similares, se realizan enormes inventarios
de recursos naturales/ambientales. Las superficies de cultivo y el
recuento de ´rboles son algunos de los datos m´s utiles.
a a ´
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3. Introducci´n y teor´
o ıa AForge.NET RAPID Resultados y discusi´n
o Referencias
Introducci´n y teor´
o ıa
Realizaci´n de inventarios masivos de
o
recursos
Entre las muchas aplicaciones de la fotointerpretaci´n, una muy
o
conocida en Espa˜a es el SIGPAC
n
(http://es.wikipedia.org/wiki/SIGPAC). Tanto en esta base
de datos como en otras similares, se realizan enormes inventarios
de recursos naturales/ambientales. Las superficies de cultivo y el
recuento de ´rboles son algunos de los datos m´s utiles.
a a ´
Debemos contar todos los ´rboles... ¿¿¿A mano???
a
El recuento de ´rboles se ha realizado partiendo de las declara-
a
ciones de los agricultores pero las normativas de la UE exigen que
ciertas especies de larga vida productiva cuenten con un registro
individual y georreferenciado.
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4. Introducci´n y teor´
o ıa AForge.NET RAPID Resultados y discusi´n
o Referencias
Introducci´n y teor´
o ıa
Geographic Object-Based Image Analy-
sis (GEOBIA)
El conteo de ´rboles puede ser una tarea tediosa y llena de
a
dificultades. No obstante, existen metodolog´ que permiten
ıas
mitigar las complicaciones. En esta presentaci´n se analiza el
o
problema desde el an´lisis Orientado a Objetos (OO), que aplicado
a
al an´lisis de im´genes SIG se conoce como GEOBIA
a a
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5. Introducci´n y teor´
o ıa AForge.NET RAPID Resultados y discusi´n
o Referencias
Introducci´n y teor´
o ıa
Geographic Object-Based Image Analy-
sis (GEOBIA)
El conteo de ´rboles puede ser una tarea tediosa y llena de
a
dificultades. No obstante, existen metodolog´ que permiten
ıas
mitigar las complicaciones. En esta presentaci´n se analiza el
o
problema desde el an´lisis Orientado a Objetos (OO), que aplicado
a
al an´lisis de im´genes SIG se conoce como GEOBIA
a a
Definici´n de GEOBIA
o
“GEOBIA is a GIScience discipline devoted to developing au-
tomated methods to partition remote sensing (RS) images in-
to meaningful image-objects, and assessing their contextual and
spectral characteristics at different spatial and temporal scales”
[1].
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6. Introducci´n y teor´
o ıa AForge.NET RAPID Resultados y discusi´n
o Referencias
Introducci´n y teor´
o ıa
Objetivos
Explorar una de las posibilidades para el an´lisis autom´tico de
a a
im´genes SIG mediante FOSS.
a
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7. Introducci´n y teor´
o ıa AForge.NET RAPID Resultados y discusi´n
o Referencias
Introducci´n y teor´
o ıa
Objetivos
Explorar una de las posibilidades para el an´lisis autom´tico de
a a
im´genes SIG mediante FOSS.
a
Aprender a reconocer program´ticamente la estructura de las
a
parcelas agr´
ıcolas: La transformada de Hough.
RAPID: Rough Agricultural Plot IDentifier
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8. Introducci´n y teor´
o ıa AForge.NET RAPID Resultados y discusi´n
o Referencias
Introducci´n y teor´
o ıa
Objetivos
Explorar una de las posibilidades para el an´lisis autom´tico de
a a
im´genes SIG mediante FOSS.
a
Aprender a reconocer program´ticamente la estructura de las
a
parcelas agr´
ıcolas: La transformada de Hough.
Introducci´n a AForge.NET y sus librer´
o ıas.
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9. Introducci´n y teor´
o ıa AForge.NET RAPID Resultados y discusi´n
o Referencias
Introducci´n y teor´
o ıa
Objetivos
Explorar una de las posibilidades para el an´lisis autom´tico de
a a
im´genes SIG mediante FOSS.
a
Aprender a reconocer program´ticamente la estructura de las
a
parcelas agr´
ıcolas: La transformada de Hough.
Introducci´n a AForge.NET y sus librer´
o ıas.
Contar los ´rboles de una parcela agr´
a ıcola de modo automatizado.
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10. Introducci´n y teor´
o ıa AForge.NET RAPID Resultados y discusi´n
o Referencias
Introducci´n y teor´
o ıa
Objetivos
Explorar una de las posibilidades para el an´lisis autom´tico de
a a
im´genes SIG mediante FOSS.
a
Aprender a reconocer program´ticamente la estructura de las
a
parcelas agr´
ıcolas: La transformada de Hough.
Introducci´n a AForge.NET y sus librer´
o ıas.
Contar los ´rboles de una parcela agr´
a ıcola de modo automatizado.
Plantear las ventajas e inconvenientes de esta aproximaci´n.
o
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11. Introducci´n y teor´
o ıa AForge.NET RAPID Resultados y discusi´n
o Referencias
Introducci´n y teor´
o ıa
La transformada de Hough (I)
¿Qu´ es la transformada de Hough?
e
Es una t´cnica utilizada para extraer elementos, con una forma
e
particular, a partir de una imagen. Es com´nmente aplicada para
u
encontrar y describir l´ıneas rectas en una imagen, aunque tam-
bi´n se pueden hallar c´
e ırculos y otras formas. Adem´s, ya ha sido
a
aplicada en GEOBIA [2].
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12. Introducci´n y teor´
o ıa AForge.NET RAPID Resultados y discusi´n
o Referencias
Introducci´n y teor´
o ıa
La transformada de Hough (I)
¿Qu´ es la transformada de Hough?
e
Es una t´cnica utilizada para extraer elementos, con una forma
e
particular, a partir de una imagen. Es com´nmente aplicada para
u
encontrar y describir l´ıneas rectas en una imagen, aunque tam-
bi´n se pueden hallar c´
e ırculos y otras formas. Adem´s, ya ha sido
a
aplicada en GEOBIA [2].
Podemos investigar y experimentar el funcionamiento de Hough en
bastantes sitios y aplicaciones Web:
http://en.wikipedia.org/wiki/Hough_transform
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13. Introducci´n y teor´
o ıa AForge.NET RAPID Resultados y discusi´n
o Referencias
Introducci´n y teor´
o ıa
La transformada de Hough (I)
¿Qu´ es la transformada de Hough?
e
Es una t´cnica utilizada para extraer elementos, con una forma
e
particular, a partir de una imagen. Es com´nmente aplicada para
u
encontrar y describir l´ıneas rectas en una imagen, aunque tam-
bi´n se pueden hallar c´
e ırculos y otras formas. Adem´s, ya ha sido
a
aplicada en GEOBIA [2].
Podemos investigar y experimentar el funcionamiento de Hough en
bastantes sitios y aplicaciones Web:
http://en.wikipedia.org/wiki/Hough_transform
http://homepages.inf.ed.ac.uk/rbf/HIPR2/houghdemo.htm
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14. Introducci´n y teor´
o ıa AForge.NET RAPID Resultados y discusi´n
o Referencias
Introducci´n y teor´
o ıa
La transformada de Hough (I)
¿Qu´ es la transformada de Hough?
e
Es una t´cnica utilizada para extraer elementos, con una forma
e
particular, a partir de una imagen. Es com´nmente aplicada para
u
encontrar y describir l´ıneas rectas en una imagen, aunque tam-
bi´n se pueden hallar c´
e ırculos y otras formas. Adem´s, ya ha sido
a
aplicada en GEOBIA [2].
Podemos investigar y experimentar el funcionamiento de Hough en
bastantes sitios y aplicaciones Web:
http://en.wikipedia.org/wiki/Hough_transform
http://homepages.inf.ed.ac.uk/rbf/HIPR2/houghdemo.htm
http://www.rob.cs.tu-bs.de/content/04-teaching/
06-interactive/HNF.html
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15. Introducci´n y teor´
o ıa AForge.NET RAPID Resultados y discusi´n
o Referencias
Introducci´n y teor´
o ıa
La transformada de Hough (II)
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16. Introducci´n y teor´
o ıa AForge.NET RAPID Resultados y discusi´n
o Referencias
Introducci´n y teor´
o ıa
La transformada de Hough (II)
Observaciones:
Resultar´ muy trabajoso
ıa
contar los ´rboles “a mano”.
a
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17. Introducci´n y teor´
o ıa AForge.NET RAPID Resultados y discusi´n
o Referencias
Introducci´n y teor´
o ıa
La transformada de Hough (II)
Observaciones:
Resultar´ muy trabajoso
ıa
contar los ´rboles “a mano”.
a
La parcela no es cuadrada.
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18. Introducci´n y teor´
o ıa AForge.NET RAPID Resultados y discusi´n
o Referencias
Introducci´n y teor´
o ıa
La transformada de Hough (II)
Observaciones:
Resultar´ muy trabajoso
ıa
contar los ´rboles “a mano”.
a
La parcela no es cuadrada.
Los ´rboles no est´n
a a
homog´neamente separados.
e
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19. Introducci´n y teor´
o ıa AForge.NET RAPID Resultados y discusi´n
o Referencias
Introducci´n y teor´
o ıa
La transformada de Hough (II)
Observaciones:
Resultar´ muy trabajoso
ıa
contar los ´rboles “a mano”.
a
La parcela no es cuadrada.
Los ´rboles no est´n
a a
homog´neamente separados.
e
Inclinaci´n de las l´
o ıneas
rectas de mayor intensidad
(aproximadamente las l´ ıneas
que m´s ´rboles atraviesan).
a a
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20. Introducci´n y teor´
o ıa AForge.NET RAPID Resultados y discusi´n
o Referencias
Introducci´n y teor´
o ıa
La transformada de Hough (II)
Observaciones:
Resultar´ muy trabajoso
ıa
contar los ´rboles “a mano”.
a
La parcela no es cuadrada.
Los ´rboles no est´n
a a
homog´neamente separados.
e
Inclinaci´n de las l´
o ıneas
rectas de mayor intensidad
(aproximadamente las l´ ıneas
que m´s ´rboles atraviesan).
a a
Las l´
ıneas de mayor
intensidad forman un ´ngulo
a
pr´ximo a 90◦
o
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21. Introducci´n y teor´
o ıa AForge.NET RAPID Resultados y discusi´n
o Referencias
Introducci´n y teor´
o ıa
La transformada de Hough (III)
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22. Introducci´n y teor´
o ıa AForge.NET RAPID Resultados y discusi´n
o Referencias
Introducci´n y teor´
o ıa
La transformada de Hough (III)
Observaciones:
Resultar´ muy dif´
ıa ıcil
(imposible) contar los
´rboles “a mano”.
a
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23. Introducci´n y teor´
o ıa AForge.NET RAPID Resultados y discusi´n
o Referencias
Introducci´n y teor´
o ıa
La transformada de Hough (III)
Observaciones:
Resultar´ muy dif´
ıa ıcil
(imposible) contar los
´rboles “a mano”.
a
Los ´rboles est´n muy
a a
juntos, en hileras.
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24. Introducci´n y teor´
o ıa AForge.NET RAPID Resultados y discusi´n
o Referencias
Introducci´n y teor´
o ıa
La transformada de Hough (III)
Observaciones:
Resultar´ muy dif´
ıa ıcil
(imposible) contar los
´rboles “a mano”.
a
Los ´rboles est´n muy
a a
juntos, en hileras.
La parcela tiene una
forma alargada.
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25. Introducci´n y teor´
o ıa AForge.NET RAPID Resultados y discusi´n
o Referencias
Introducci´n y teor´
o ıa
La transformada de Hough (III)
Observaciones:
Resultar´ muy dif´
ıa ıcil
(imposible) contar los
´rboles “a mano”.
a
Los ´rboles est´n muy
a a
juntos, en hileras.
La parcela tiene una
forma alargada.
Las l´
ıneas de mayor
intensidad forman un
´ngulo mucho m´s
a a
peque˜o.
n
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26. Introducci´n y teor´
o ıa AForge.NET RAPID Resultados y discusi´n
o Referencias
Introducci´n y teor´
o ıa
Reglas de decisi´n
o
De un modo arbitrario a partir de las pocas parcelas vistas he
decidido que ser´n agr´
a ıcolas – arb´reas aquellas parcelas cumplan
o
lo siguiente:
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27. Introducci´n y teor´
o ıa AForge.NET RAPID Resultados y discusi´n
o Referencias
Introducci´n y teor´
o ıa
Reglas de decisi´n
o
De un modo arbitrario a partir de las pocas parcelas vistas he
decidido que ser´n agr´
a ıcolas – arb´reas aquellas parcelas cumplan
o
lo siguiente:
Ejemplo de reglas de decisi´n basadas en Hough
o
parcelas que tengan una diferencia angular entre las dos
direcciones principales comprendida entre 80 y 120,
ıneas en la 1a direcci´n no
aquellas estructuras donde el % de l´ o
a
sea mucho mayor que el % de la 2 (< 2x)
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28. Introducci´n y teor´
o ıa AForge.NET RAPID Resultados y discusi´n
o Referencias
Introducci´n y teor´
o ıa
Reglas de decisi´n
o
De un modo arbitrario a partir de las pocas parcelas vistas he
decidido que ser´n agr´
a ıcolas – arb´reas aquellas parcelas cumplan
o
lo siguiente:
Ejemplo de reglas de decisi´n basadas en Hough
o
parcelas que tengan una diferencia angular entre las dos
direcciones principales comprendida entre 80 y 120,
ıneas en la 1a direcci´n no
aquellas estructuras donde el % de l´ o
a
sea mucho mayor que el % de la 2 (< 2x)
Estas reglas podr´
ıan/deber´ ser m´s complejas y basadas en
ıan a
alg´n clasificador estad´
u ıstico o matem´tico. No obstante, es un
a
ejemplo bastante did´ctico.
a
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29. Introducci´n y teor´
o ıa AForge.NET RAPID Resultados y discusi´n
o Referencias
AForge.NET
AForge.NET
Aforge.NET es un Framework con distintas librer´ para el
ıas
tratamiento digital de im´genes. Entre las distintas librer´
a ıas
encontramos:
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30. Introducci´n y teor´
o ıa AForge.NET RAPID Resultados y discusi´n
o Referencias
AForge.NET
AForge.NET
Aforge.NET es un Framework con distintas librer´ para el
ıas
tratamiento digital de im´genes. Entre las distintas librer´
a ıas
encontramos:
AForge.Imaging – library with image processing routines and filters;
AForge.Vision – computer vision library;
AForge.Neuro – neural networks computation library;
AForge.Genetic – evolution programming library;
AForge.Fuzzy – fuzzy computations library;
AForge.MachineLearning – machine learning library;
...
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31. Introducci´n y teor´
o ıa AForge.NET RAPID Resultados y discusi´n
o Referencias
AForge.NET
AForge.NET
Aforge.NET es un Framework con distintas librer´ para el
ıas
tratamiento digital de im´genes. Entre las distintas librer´
a ıas
encontramos:
AForge.Imaging – library with image processing routines and filters;
AForge.Vision – computer vision library;
AForge.Neuro – neural networks computation library;
AForge.Genetic – evolution programming library;
AForge.Fuzzy – fuzzy computations library;
AForge.MachineLearning – machine learning library;
...
http://code.google.com/p/aforge/
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32. Introducci´n y teor´
o ıa AForge.NET RAPID Resultados y discusi´n
o Referencias
RAPID
Rough Agricultural Plots IDentifier (RA-
PID)
RAPID
Es la aplicaci´n de ejemplo que he creado. Es un identificador
o
“basto” de parcelas agr´ıcolas desarrollado sobre AForge.NET.
No hay que esperar maravillas, pero ver´is que acierta bastante.
e
Est´ listo para hacer checkout en el repositorio subversi´n de
a o
GIS&Chips (svn co http://www.gisandchips.org/svn/rapid/ ).
A continuaci´n, se puede obtener y compilar el programa para
o
comenzar a ver su funcionamiento.
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33. Introducci´n y teor´
o ıa AForge.NET RAPID Resultados y discusi´n
o Referencias
RAPID
Interfaz de RAPID (I)
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34. Introducci´n y teor´
o ıa AForge.NET RAPID Resultados y discusi´n
o Referencias
RAPID
Interfaz de RAPID (II)
La aplicaci´n muestra una barra de tareas donde se secuencian los
o
pasos de an´lisis y a medida que se realiza cada paso se activan
a
nuevos botones. Los botones son:
OpenImage: permite a˜adir im´genes propias.
n a
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35. Introducci´n y teor´
o ıa AForge.NET RAPID Resultados y discusi´n
o Referencias
RAPID
Interfaz de RAPID (II)
La aplicaci´n muestra una barra de tareas donde se secuencian los
o
pasos de an´lisis y a medida que se realiza cada paso se activan
a
nuevos botones. Los botones son:
OpenImage: permite a˜adir im´genes propias.
n a
Binarize: binariza la imagen aplicando el umbral especificado en el
cuadro de texto.
RAPID: Rough Agricultural Plot IDentifier
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36. Introducci´n y teor´
o ıa AForge.NET RAPID Resultados y discusi´n
o Referencias
RAPID
Interfaz de RAPID (II)
La aplicaci´n muestra una barra de tareas donde se secuencian los
o
pasos de an´lisis y a medida que se realiza cada paso se activan
a
nuevos botones. Los botones son:
OpenImage: permite a˜adir im´genes propias.
n a
Binarize: binariza la imagen aplicando el umbral especificado en el
cuadro de texto.
Calc Hough: calcula la transformada de Hough para la imagen
binaria y muestra algunas estad´
ısticas en es cuadro de la derecha.
Tambi´n muestra un mensaje sobre la adecuaci´n, o no, de la
e o
parcela.
RAPID: Rough Agricultural Plot IDentifier
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37. Introducci´n y teor´
o ıa AForge.NET RAPID Resultados y discusi´n
o Referencias
RAPID
Interfaz de RAPID (II)
La aplicaci´n muestra una barra de tareas donde se secuencian los
o
pasos de an´lisis y a medida que se realiza cada paso se activan
a
nuevos botones. Los botones son:
OpenImage: permite a˜adir im´genes propias.
n a
Binarize: binariza la imagen aplicando el umbral especificado en el
cuadro de texto.
Calc Hough: calcula la transformada de Hough para la imagen
binaria y muestra algunas estad´
ısticas en es cuadro de la derecha.
Tambi´n muestra un mensaje sobre la adecuaci´n, o no, de la
e o
parcela.
Count Trees: realiza el recuento de ´rboles de la imagen binaria y
a
muestra el resultado en el cuadro “Trees estimation”. Este ultimo ´
no deber´ activarse en caso de que no se cumplieran las condiciones
ıa
establecidas en nuestras reglas, pero se activa para facilitar todo
tipo de pruebas. RAPID: Rough Agricultural Plot IDentifier
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38. Introducci´n y teor´
o ıa AForge.NET RAPID Resultados y discusi´n
o Referencias
Resultados y discusi´n
o
Resultados (I)
Para realizar una serie de pruebas, se ha a˜adido una variada
n
galer´ de im´genes de parcelas, obtenidas del visor del SIGPAC.
ıa a
Podemos ver que:
RAPID: Rough Agricultural Plot IDentifier
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39. Introducci´n y teor´
o ıa AForge.NET RAPID Resultados y discusi´n
o Referencias
Resultados y discusi´n
o
Resultados (I)
Para realizar una serie de pruebas, se ha a˜adido una variada
n
galer´ de im´genes de parcelas, obtenidas del visor del SIGPAC.
ıa a
Podemos ver que:
Hay parcelas donde el recuento resulta muy f´cil (1, 2, 6, 8).
a
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40. Introducci´n y teor´
o ıa AForge.NET RAPID Resultados y discusi´n
o Referencias
Resultados y discusi´n
o
Resultados (I)
Para realizar una serie de pruebas, se ha a˜adido una variada
n
galer´ de im´genes de parcelas, obtenidas del visor del SIGPAC.
ıa a
Podemos ver que:
Hay parcelas donde el recuento resulta muy f´cil (1, 2, 6, 8).
a
Hay que analizar porqu´ se rechazan otras parcelas, o por que
e
cuesta m´s tiempo ajustar los par´metros.
a a
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41. Introducci´n y teor´
o ıa AForge.NET RAPID Resultados y discusi´n
o Referencias
Resultados y discusi´n
o
Resultados (I)
Para realizar una serie de pruebas, se ha a˜adido una variada
n
galer´ de im´genes de parcelas, obtenidas del visor del SIGPAC.
ıa a
Podemos ver que:
Hay parcelas donde el recuento resulta muy f´cil (1, 2, 6, 8).
a
Hay que analizar porqu´ se rechazan otras parcelas, o por que
e
cuesta m´s tiempo ajustar los par´metros.
a a
El caso de la parcela 8
En el caso de la parcela 8 de los ejemplos, vemos que RAPID
hace un recuento bastante preciso de los olivos de la parcela 8 de
los ejemplos (SIGPAC = 148; RAPID +/- 150, seg´n el Thres-
u
hold). Por supuesto que ser´ ıamos m´s precisos si elimin´ramos
a a
los ruidos que los bordes de la parcela introducen en el an´lisis.
a
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42. Introducci´n y teor´
o ıa AForge.NET RAPID Resultados y discusi´n
o Referencias
Resultados y discusi´n
o
Resultados (II)
148 ´rboles seg´n SIGPAC
a u
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43. Introducci´n y teor´
o ıa AForge.NET RAPID Resultados y discusi´n
o Referencias
Resultados y discusi´n
o
Resultados (II)
148 ´rboles seg´n SIGPAC
a u +/- 150 seg´n RAPID
u
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44. Introducci´n y teor´
o ıa AForge.NET RAPID Resultados y discusi´n
o Referencias
Resultados y discusi´n
o
Mejoras y otras posibilidades
Algunas posibles mejoras
El recuento puede mejorar en algunas im´genes ajustando el
a
umbral. Esto se podr´ automatizar.
ıa
El conteo de mejorar´ mucho al aplicarlo con im´genes con una
ıa a
banda de infrarrojo pr´ximo y la combin´ramos con las otras
o a
(RGB) antes de realizar la binarizaci´n. Pejem.: Calculando un
o
´
ındice de vegetaci´n.
o
La combinaci´n de este m´todo con otras t´cnicas permitir´
o e e ıa
solucionar ciertos casos como el de la parcela 11, tal y como se
expone en otro post en GIS&Chips.
Si alguien quiere podemos echarle un vistazo al c´digo...
o
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45. Introducci´n y teor´
o ıa AForge.NET RAPID Resultados y discusi´n
o Referencias
Referencias
Referencias I
I Lizarazo and P Elsner.
From pixels to grixels: a unified functional model for geographic object—based image analysis.
In G.J. Hay, T. Blaschke, and D. Marceau, editors, GEOBIA 2008—Pixels, Objects, Intelligence.
GEOgraphic Object Based Image Analysis for the 21st Century, number 40, pages 1682–1777, Calgary
AB, Canada, 2008.
L.A. Ruiz, J.A. Recio, A. Fern´ndez-Sarr´ and Txomin Hermosilla G´mez.
a ıa, o
A tool for object descriptive feature extraction: aplication to image classification and map updating.
In The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences,
page 6, Ghent, Belgium, 2010. ISPRS - International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing
and Spatial Information Sciences.
RAPID: Rough Agricultural Plot IDentifier
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46. Introducci´n y teor´
o ıa AForge.NET RAPID Resultados y discusi´n
o Referencias
Muchas gracias!!
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