análisis digital

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análisis digital
de imágenes
fusión de imágenes multiespectrales
con otras de mejor resolución espacial
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ANÁLISIS
DIGITAL
PROF. ADJUNTO GRADO 3, EDISON J. ROSAS BERTON
fusión de imágenes
CAPÍTULO 3 – MANEJO DE DATOS
Una técnica interesante que se ha puesto muy de moda en los últimos
tiempos es la de "mezclar" las imágenes de dos sensores distintos, para
aprovechar las mejores características de ambos
Algoritmos que funde la imagen multiespectral de baja resolución espacial y la
pancromática de alta resolución, para crear una imagen color de alta resolución realzada.
La imagen en color de alta resolución conserva la fidelidad del color original y permite
mejorar la visualización e interpretación.
El dato de imagen pancromática puede ser fundido con la imagen multiespectral, ya sea;
adquiridas simultáneamente por el mismo sensor, o imágenes de diferentes sensores.
Los mejores resultados se obtienen cuando la imagen es recolectada simultáneamente y
las resoluciones de los datos pancromáticos y multiespectrales están estrechamente
relacionadas.
Las características espectrales del dato original serán conservadas en la imagen de alta
resolución resultante.
técnicas de fusión de
imágenes de diferente
resolución espacial
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Prof. Adjunto Gdo. 3, Ing. Agrim. Edison Rosas – Prof. Asistente Gdo. 2, Eduardo Vásquez
Pan Sharpening en Geomática
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imagen PANCROMÁTICA
CAPÍTULO 3 – MANEJO DE DATOS
Las imágenes digitales pancromáticas de la superficie de la Tierra son producidas por la
mayoría de los satélites y en particular en algunos satélites modernos,
como QuickBird e IKONOS ésta imagen es extremadamente útil, ya que por lo general es una
resolución (espacial) mucho más alta que la resolución de las imágenes multiespectrales del
mismo satélite.
Por ejemplo, el satélite QuickBird produce imágenes pancromáticas de un equivalente de píxeles en un área de 0.6m x 0.6m, mientras que los
píxeles multiespectrales representan un área de 2.4m x 2.4m.
una imagen pancromática
produce
una imagen realista de una
escena
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una imagen pancromática es un tipo de imagen en blanco y
negro sensible a todas las longitudes de onda del espectro visible.
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métodos de Pan Sharpening
CAPÍTULO 3 – MANEJO DE DATOS
b) Métodos basados en la disociación de información
espectral y espacial:
b.1 – Métodos de sustitución de componentes
TRANSFORMACIÓN IHS
b.2 – Métodos de extracción e incorporación de detalle
espacial
HIGH PASS FILTER (HPF)
diferentes
metodologías
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a) Métodos basados en la combinación aritmética de
la radiometría de las imágenes (es realizar sumas,
restas, multiplicaciones y cocientes entre bandas
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Pan Sharpening - IHS
CAPÍTULO 3 – MANEJO DE DATOS
sabemos que el color
representado a partir de
sus componentes,
resulta de la mezcla de
tres cañones de los
colores elementales
ROJO, VERDE, AZUL
una forma alternativa, es
representar el color, a través de sus
propiedades:
INTENSIDAD (Intensity)
TONO (Hue)
SATURACIÓN (Saturation)
IHS
el color representado
por un sistema
diferente
Cita – E. Chuvieco 2010; Koutsias et. al., 2000; Terhalle y Bodetchel, 1986
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el algoritmo mas sencillo de los empleados en casi la mayoría de los
softwares, es la TRANSFORMACIÓN IHS
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representación del color - RGB
CAPÍTULO 3 – MANEJO DE DATOS
Cada eje, define
uno de los colores
primarios y en sus
opuestos,
encontramos a los
colores
secundarios
teoría del color y su
representación
tridimensional
Figura - http://tilanotv.es/general/que-funciones-tiene-la-colorimetria-iv/
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Cada pixel y su
color, puede
representarse en
un diagrama
tridimensional
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representación del color - IHS
CAPÍTULO 3 – MANEJO DE DATOS
se
representa
por un
hexácono
la distancia al eje
vertical, es la
intensidad
teoría del color y un
cambio de sistema
para su representación
Figura - http://volaya.github.io/libro-sig/chapters/Conceptos_basicos.html
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el eje vertical, es
la saturación
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CAPÍTULO 3 – MANEJO DE DATOS
algoritmos basados en sustitución de componentes
Banda 4
Banda 3
Banda 2
T-1
T
XS, imagen multibanda
de alta resolución espectral
Imagen multibanda
transformada
Imagen fusionada de alta
resolución espectral y espacial
Sustitución de componente, por imagen pancromática
se desacopla la
información espectral
en componentes y se
sustituyen
PAN, imagen pancromática
de alta resolución espacial
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Banda 1
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CAPÍTULO 3 – MANEJO DE DATOS
IHS
SATURACIÓN
Se corresponde con la pureza del color observado, o
sea, el grado de mezcla con los otros colores primarios
INTENSIDAD
Que se identifica con el brillo, lo que lo hace función
con el porcentaje de reflectividad recibido
concepto de las tres
coordenadas o
componentes
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TONO
Procede de la longitud de onda de donde se produce la
máxima reflectividad del objeto visto y sería el
equivalente al color que vemos con nuestro ojos
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1.
SUPERPONER LAS DOS IMÁGENES
2.
REMUESTREO DE LA IMAGEN - XS AL TAMAÑO DE PIXEL
DE LA RESOLUCIÓN ESPACIAL MEJOR - PAN
3.
TRANSFORMACIÓN DE - XS DE COORDENADAS
RADIOMÉTRICAS RGB A COORDENADAS IHS
4.
AJUSTE DEL HISTOGRAMA DE – PAN AL DE LA
INTENSIDAD
5.
SE SUSTITUYE LA INTENSIDAD POR LA – PAN
6.
SE VUELVE A PASAR A RGB
descomposición del
proceso de fusión
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procedimiento IHS
CAPÍTULO 3 – MANEJO DE DATOS
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CAPÍTULO 3 – MANEJO DE DATOS
cáclculo de las variables IHS
H = arctg [( 2 NDa - NDv + NDr ) / √3(NDv – NDr)] + C
C = 0, si NDv >= NDr
C=
𝜋, si NDv < NDr
S = ( 6/3)√ ( ND𝑎2+ND2𝑣 + ND2𝑟 −ND 𝑎 ND𝑣 −ND 𝑎ND 𝑟 −ND𝑣 ND𝑟 )
álgebra matricial, con
los valores de ND, de
los las bandas XS
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I = ( NDr + NDv + NDa ) / 3
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las tres componentes IHS
CAPÍTULO 3 – MANEJO DE DATOS
SATURACIÓN
TONO
Figura – Universidad de ALCALÁ, Depto, de Geografía
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INTENSIDAD
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BERON
consideraciones
CAPÍTULO 3 – MANEJO DE DATOS
Estos procesos pueden dar problemas cuando existe
diferencia de fechas entre ambas imágenes.
debemos de tener
presente y no olvidar
Se han desarrollado otros algoritmos más sofisticados
que evitan problemas como el oscurecimiento en las
zonas de vegetación, u otros.
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la imagen resultante, tendrá los colores de la XS y la resolución PAN
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método de fusión – HPF (High
Pass Filter)
CAPÍTULO 3 – MANEJO DE DATOS
IMPORTANTE !!!
Este método puede aplicarse a un
número indefinido de bandas y no solo a
una composición de 3 bandas
nuevo método, a
partir de la utilización
de filtros
HPF
Cita – Chavez et al., 1991
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el algoritmo HPF, distorsiona menos las
características espectrales de la imagen
multiespectral
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1.
SUPERPONER LAS DOS IMÁGENES
2.
REMUESTREO DE LA IMAGEN - XS AL TAMAÑO DE PIXEL
DE LA RESOLUCIÓN ESPACIAL MEJOR - PAN
3.
APLICACIÓN DE UN FILTRO DE PASO ALTO, A LA IMAGEN
– PAN (OBTENGO INFORMACIÓN ESPACIAL DE ALTA
FRECUENCIA)
4.
SUMA PIXEL A PIXEL DE LA IMAGEN FILTRADA A LA
MULTIESPECTRAL ORIGINAL CON RESOLUCIÓN ESPACIAL
MEJOR
descomposición del
proceso de fusión
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procedimiento HPF
CAPÍTULO 3 – MANEJO DE DATOS
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CAPÍTULO 3 – MANEJO DE DATOS
cálculo de HPF
IMG FUSION = XS + C . PAN (filtrada paso alto)
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
24
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
KERNELL utilizado
LA CONSTANTE C es «empírica» y puede
ajustarse valorando visualmente la calidad de
los resultados
PROYECTO
Corine Land Cover 2000
Sobre Landsat 7
C = 2.5
álgebra matricial, con
los valores de ND, de
los las bandas XS
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-1
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Proceso de
fusión de
imágenes
XS y PAN
diagrama de flujo de
la operación de fusión
Figura – ERDAS, aplicación funciones CONVOLVE y STACKLAYERS
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esquema de aplicación
CAPÍTULO 3 – MANEJO DE DATOS
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CAPÍTULO 3 – MANEJO DE DATOS
métodos basados en operaciones algebraicas
Banda 4
Banda 3
operaciones aritméticas
Banda 1
PAN, imagen pancromática
de alta resolución espacial
XS, imagen multibanda
de alta resolución espectral
se reduce a operaciones
aritméticas entre
bandas
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Banda 2
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método de BROVEY
CAPÍTULO 3 – MANEJO DE DATOS
(N . NDbi)
Ndi,FUS =
NDPAN
(NDb1 + NDb2 + NDb3 + ……….. +NDbN)
N es el número de bandas espectrales de la imagen XS
Ventajas:
Fácilmente
aplicable.
Bajo
costo
computacional. Imágenes de alta calidad espacial.
operaciones algebraicas
pixel a picel, entre las
bandas de la XS y la PAN
Desventajas: Imágenes de baja calidad espectral, si
las comparamos con los algoritmos de sustitución de
componentes.
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Ajuste que consiste en asignar un nuevo ND a cada uno de los pixeles, en función de
los valores obtenidos en los pixeles de la PAN y el relacionado con cada una de las
bandas de la XS.
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Figura – B8 Landsat LC82220832015255LGN00
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banda pancromática PAN
CAPÍTULO 3 – MANEJO DE DATOS
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Figura – B5B4B3 Landsat LC82220832015255LGN00
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imagen multiespectral XS
CAPÍTULO 3 – MANEJO DE DATOS
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Figura – B5B4B3 15x15 Landsat LC82220832015255LGN00
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composición 5,4,3 mejorada
CAPÍTULO 3 – MANEJO DE DATOS
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Comparación XS y FUS
30 metros
B5,B4,B3
15 metros
B5,B4,B3
Figura – B5B4B3 Landsat LC82220832015255LGN00
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CAPÍTULO 3 – MANEJO DE DATOS
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objetivos de la fusión
CAPÍTULO 3 – MANEJO DE DATOS
fusión entre una
imagen XS y una PAN
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• mejorar de la identificación visual
• mejorar procesos de segmentación
• mejorar la clasificación de texturas en imágenes
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proceso general de la fusión
CAPÍTULO 3 – MANEJO DE DATOS
PAN
Remuestreo
Banda 3
Banda 2
Banda 1
XS
esquema operacional
Ajuste radiométrico
ALGORITMO de FUSIÓN
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Banda 4
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CAPÍTULO 3 – MANEJO DE DATOS
ajuste radiométrico
NDPAN, son los niveles digitales de la imagen PAN original
NDPANX, son los niveles digitales de la imagen PAN transformada
X, imagen de referencia (imagen multiespectral con x bandas)
NDPANX = a . NDPAN + b
a = σX / σPAN
donde
b = X – PAN . σX / σPAN
σX, es la desviación estándar de la imagen multiespectral en la banda X
σPAN, es la desviación estándar de la imagen PAN
X, PAN, son los valores de la media de los ND
igualación de
histogramas de la PAN y
cada una de las bandas
de la XS
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Ajuste basado en medias y desviación típica. Consiste en tratar de igualar estadísticas
como la media y la desviación típica.
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CAPÍTULO 3 – MANEJO DE DATOS
medidas de calidad de las imágenes fusionadas
La calidad de las imágenes, se puede medir de forma subjetiva y objetiva.
Se dispone de métricas que permiten medir la calidad, ya sea espacial como espectral. Y
también, la calidad global.
MÉTODOS CUANTITATIVOS
ÍNDICES ESTADÍSTICOS
Correlación Espectral
Correlación Espacial (Zhou)
ÍNDICES ERGAS
Eurreur Relative Globale Adimensionalle de Synthése
ERGAS Espectral
ERGAS Espacial
ÍNDICES GLOBALES
Universal image quality index
los métodos pueden
ser, cualitativos o
cuantitativos
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Los métodos cualitativos, suelen partir de medidas subjetivas y por lo tanto, no son muy útiles.
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DIGITAL
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CAPÍTULO 3 – MANEJO DE DATOS
métodos cuantitativos
Calidad espectral
AÑO 2002, requerimientos de los índices de calidad / imágenes fusionadas
Banda 4
Independiente de unidades, y también de
coeficientes de calibración de instrumentos.
Banda 2
Banda 1
XS
Independiente de la relación entre
resoluciones espaciales de las imágenes
fuente.
de forma práctica,
veremos sus
definiciones
Calidad espacial
PAN
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Independiente del número de bandas
espectrales que consideremos.
Banda 3
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CAPÍTULO 3 – MANEJO DE DATOS
índice estadístico de
calidad espectral
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coeficiente de correlación espectral
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CAPÍTULO 3 – MANEJO DE DATOS
índice estadístico de
calidad espacial
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correlación espacial, índice de Zhou
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CAPÍTULO 3 – MANEJO DE DATOS
índice ERGAS
calidad espectral
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ERGAS espectral
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CAPÍTULO 3 – MANEJO DE DATOS
índice ERGAS
calidad espacial
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ERGAS espacial
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CAPÍTULO 3 – MANEJO DE DATOS
•
•
•
índice global
pérdida de correlación
distorsión lumínica
distorsión del contraste
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universal image quality index
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CAPÍTULO 3 – MANEJO DE DATOS
NO EXISTE EL MEJOR MÉTODO DE FUSIÓN DE
IMÁGENES, SINO LA MEJOR IMAGEN FUSIONADA.
se requiere de metodologías
que controlen la calidad de las
imágenes fusionadas,
adaptándola a la aplicación
final
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conclusiones
análisis digital
de imágenes
obtención de información temática
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DIGITAL
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CAPÍTULO 3 – MANEJO DE DATOS
extracción de información temática
VER TRATAMIENTOS ESPECIALES A LAS IMÁGENES
EN QUE BUSCAMOS PODER DISPONER DE ÉSTAS DE LA MEJOR MANERA
PARA EXTRAER INFORMACIÓN TEMÁTICA QUE NOS INTERESA
DEBEMOS FIJAR EL OBJETIVO DEL ANÁLISIS A REALIZAR
Obtención de VARIABLES CONTINUAS
Categorización de las imágenes para generar CLASES TEMÁTICAS
Detección con ANÁLISIS DE CAMBIOS
MEDICIÓN de la estructura espacial del territorio
para qué utilizar la
información que nos
proporcionan las
imágenes satelitales
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HASTA AHORA QUE HICIMOS ?
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CAPÍTULO 3 – MANEJO DE DATOS
variables continuas
A PARTIR DE LA TELEDETECCIÓN OBTENEMOS
VARIABLES MEDIDAS EN FORMA DIRECTA
FUNCIÓN DE LOS DATOS ADQUIRIDOS POR EL SENSOR
VARIABLES INDIRECTAS
FACTORES QUE SE SPUEDEN DERIVAR DE LOS DATOS ANTERIORES
CONTENIDO CLOROFILA, ÁREA FOLIAR, HUMEDAD DE SUELO Y HOJAS,
TURBIDEZ DEL AGUA, EVAPOTRANSPIRACIÓN, PRODUCTIVIDAD VEGETAL
modelos inductivos o
empíricos
modelos teóricos o
deductivos
Figura – http://ieu-inteligencias.blogspot.com.uy/
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REFLECTIVIDAD, TEMPERATURA, ALTITUD, DISTANCIAS, TOPOGRAFÍA MARINA
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ANÁLISIS
DIGITAL
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CAPÍTULO 3 – MANEJO DE DATOS
modelos empíricos
FUNCIONES DE AJUSTE, QUE RELACIONAN EL PARÁMETRO EN
ESTUDIO Y LOS VALORES DEL SENSOR
AJUSTE POR REGRESIÓN
AJUSTE POR REDES NEURONALES
PROCEDIMIENTOS
PRECISIONES
SENCILLOS
Y
CON
ESCASA CAPACIDAD DE GENERALIZACIÓN
ESTIMACIÓN
DE
Prof. Adjunto Gdo. 3, Ing. Agrim. Edison Rosas – Prof. Asistente Gdo. 2, Eduardo Vásquez
BUSCAN UNA RELACIÓN ENTRE LOS PARÁMETROS A ESTIMAR Y
LOS VALORES RECABADOS POR EL SENSOR, A PARTIR DE
OBSERVACIONES EN EL LUGAR
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ANÁLISIS
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CAPÍTULO 3 – MANEJO DE DATOS
modelos teóricos
DEMUESTRAN LA RELACIÓN FÍSICA ENTRE EL PARÁMETRO A
ESTIMAR Y LA INFORMACIÓN ESPECTRAL EN LA IMAGEN
SE VERIFICA LA RELACIÓN CON EJEMPLOS EMPÍRICOS
SE INVIERTE EL MODELO, PARA ESTIMAR EL PARÁMETRO DESDE LA
INFORMACIÓN CONTENIDA EN LA IMÁGEN
MÁS POSIBILIDADES PARA ESTIMAR VARIABLES BIOFÍSICAS
PROCEDIMIENTO DE AJUSTE COMPLICADO Y NO SIEMPRE
PRECISOS
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BUSCAN RELACIONES DE VALIDEZ, INDEPENDIENTES LO MÁS
POSIBLE DE CONDICIONES PARTICULARES DE OBSERVACIÓN
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