CURSO DE INTRODUCCIÓN A LA PERCEPCIÓN REMOTA 1. PRINCIPIOS DE PERCEPCIÓN REMOTA. 1.1 1.1 Definició n. 1.2 1.2 Energía electro magnétic a. 1.2.1 Espectro Electromagnético. 1.2.2 Mecanismos de Interacción. 1.2.3 Efectos atmosféricos.
1.3 1.3 Interacción de la energía energía con l os ob jetos 1.3.1 Características de reflectancia del agua 1.3.2 Características de reflectancia del suelo 1.3.3 Características de reflectancia de la vegetación
1. PRINCIPIOS DE PERCEPCIÓN REMOTA. 1.1. 1.1. Defini Defini ción. ció n. La Percepción Remota es ampliamente definida como el conjunto de métodos y técnicas para la colección e interpretación de información acerca de un objeto sin estar físicamente en contacto con él. El término Teledetección está comúnmente restringido a los métodos que emplean energía electromagnética como el medio para detectar y medir las características del objeto.
1.2. 1.2. Energía electro magnética. Según la teoría ondulatoria, la energía electromagnética (fig. 1) se transmite de un lugar a otro a la velocidad de la luz y está constituida por dos componentes o campos de fuerza ortogonales entre sí: el campo eléctrico y el campo magnético.
Fig. 1. La mayor parte de la energía electromagnética que llega a la superficie de la tierra, proviene del sol.
Las características de este flujo energético pueden ser descritas por dos elementos: la longitud de onda y la frecuencia (fig. 2). La primera se refiere a la distancia entre dos picos o crestas (ciclo) y la segunda al número de ciclos pasando por un punto fijo, por unidad de tiempo.
c = λ * f en donde: λ = longitud de onda medida en micras.
= frecuencia medida en hertz (ciclos por segundo). f = c = 3 * 108 m/seg. A mayor λ menor f
Fig. 2. La energía electromagnética viaja por el espacio a la velocidad de la luz.
1 newton
=
la fuerza necesaria para dar a una masa de 1 kg, una aceleración de 1m/seg2.
1 dina
=
la fuerza necesaria para impartir a una masa de 1 gr, una aceleración de 1 cm/seg2
1 joule
=
la energía que se aplica a un cuerpo cuando se ejerce sobre él una fuerza de 1 newton, en una distancia de 1m en la dirección en que se aplica la fuerza.
1 erg
=
La energía necesaria para aplicar a un cuerpo una dina, en una distancia de 1 cm
La cantidad de luz se mide en fotones y la cantidad de energía transportada por un fotón está dada por:
q=h*f
en donde
h = constante de Plank (6.62 * 10 -27 erg*seg ó 6.6 * 10 -34 joules * seg) = frecuencia f = de ahí que
q = h * (c / λ) A menor longitud de onda o mayor frecuencia, el contenido energético será mayor y viceversa. Unidades de medida que se utilizan para longitudes de onda son: 1 mm = 10-3 m --------------- Milímetro -6 1 µm = 10 m --------------- Micrómetro -9 1 nm = 10 m -------- Nanómetro 1 Å = 10-10 m ------- Angstrom Cualquier objeto por encima del cero absoluto (-273o c), irradia energía y ésta se incrementa con la temperatura. A mayor temperatura el cuerpo irradiará con más intensidad y a longitudes de onda más cortas. 1.2.1. Espectro electromagnético. El espectro electromagnético (fig. 3) es la representación gráfica del continuo de energía que varía desde longitudes de onda muy pequeñas (medidas en Angstroms), a muy grandes (medidas en metros). En el espectro electromagnético, pueden reconocerse las siguientes regiones:
REGIÓN Rayos gamma Rayos X Rayos ultravioleta Luz visible Infrarrojo cercano Infrarrojo medio Infrarrojo térmico Microondas Ondas de radio UHF Ondas de radio VHF
RANGO DE LONGITUDES DE ONDA Menos de 0.01 Å De 0.01 Å a 10.0 Å De 10 Å a 1000 Å De 0.4 µm a 0.7 µm De 0.7 µm a 2.0 µm De 2.0 µm a 8.0 µm De 10.0 µm a 16.0 µm De 3.0 mm a 3.0 m De 0.1 m a 1.0 m De 1.0 m a 10.0 m
Fig. 3. La luz visible forma solo una pequeña parte del espectro electromagnético. Cabe señalar, que la medida de los límites entre las regiones es aproximada y se delimita de este modo solo con propósitos de clasificación. 1.2.2. Mecanismos de Interacción. De acuerdo con la Ley general de la Energía, (fig. 4) la energía que incide sobre los objetos es la suma de la energía absorbida mas la energía transmitida mas la energía reflejada por esos objetos.
Fig. 4. La energía que reciben los objetos de la superficie terrestre, es igual a la suma de la energía que absorben, la que reflejan y la que transmiten. Se llama emitancia (o irradiancia) espectral de un cuerpo Eλ,T a la energía emitida por unidad de área por dicho cuerpo en la unidad de tiempo y por unidad de intervalo espectral, en un entorno de la longitud de onda λ. Esta magnitud representa la característica espectral de la radiación de un cuerpo y se expresa en [W/ m 2 µm]. Se llama absortividad o absorbancia espectral de un cuerpo Aλ,T a la relación entre la energía absorbida por unidad de área del cuerpo en la unidad de tiempo y la que incide, para un intervalo de longitudes de onda entre λ y λ+dλ. La absorbancia espectral es adimensional y depende de λ, de la temperatura absoluta T, del material que forma el cuerpo y de las condiciones de su superficie. Si un cuerpo en equilibrio térmico, absorbe toda la energía que incide sobre él con independencia de la λ y la temperatura, entonces para él se cumple que Aλ,T=1 para toda λ y toda T y se dice que el cuerpo es un cuerpo negro. (fig. 5)
Fig. 5. Curvas de irradiación solar y ventanas de absorción de diferentes componentes atmosféricos. La energía absorbida por los cuerpos reales es siempre menor que la absorbida por el cuerpo negro el cual es, por lo tanto, un modelo idealizado. La razón de esto es que en la práctica, todo cuerpo transmite o refleja algo de la energía incidente. En general se cumple que:
ρ λ + β λ + τ λ = 1 en donde ρ λ es la reflectividad o reflectancia: es la razón entre las intensidades de las radiaciones
reflejada e incidente; β λ es la absortividad o absorbancia: es la razón entre las intensidades de las radiaciones absorbida e incidente; y τ λ es la transmisividad o transmitancia: es la razón entre las intensidades de las radiaciones trasmitida e incidente.
Todas ellas son adimensionales y varían con la λ. Quiere decir, que la radiación incidente sobre una superficie es reflejada, transmitida o absorbida. Se dice que un cuerpo es gris, si su absorbancia no depende de λ sino únicamente de su temperatura, o sea, Aλ,T = AT. Se dice que un cuerpo es opaco cuando τ=0. En este caso existe una relación entre la emitancia (Eλ,T) y la absorbancia (Aλ,T) espectral, para una longitud de onda y temperatura específicas, que se expresa a través de la ley de Kirchhoff::
E λ ,T Aλ ,T
= ε λ ,T
en donde ! λ,T es
la emitancia espectral de un cuerpo negro que solo depende de λ y T.
En esta ley está implícito que si un cuerpo a una temperatura dada no absorbe energía en el intervalo de λ a λ+dλ, tampoco podrá emitir en esa región del espectro. La emitancia o irradiancia ET de un cuerpo se expresa como: ∞
∞
∫
∫
E T = E λ ,T ⋅ d λ = Aλ ,T ⋅ ε λ ,T ⋅ d λ = α ⋅ ε T 0
0
y representa el total de energía radiada en todas las direcciones desde una unidad de área y por unidad de tiempo (W/m2). El parámetro α representa el grado de aproximación del cuerpo analizado respecto al cuerpo negro, y depende de la temperatura, del material y de las condiciones de la superficie del cuerpo. Por su parte,
ε es la emitancia del cuerpo negro. Se cumple que: T
∞
∫ A
λ ,T
α =
⋅ ε λ ,T ⋅ d λ
0
ε T
Si α=1, se tiene el caso de un cuerpo negro y si α=0, se tiene el caso de un cuerpo totalmente reflector. Según la ley de Stefan-Boltzman, la emitancia de un cuerpo negro εT es solo función de la temperatura T, y se expresa como:
ε T = σ ⋅ T 4 donde σ es la constante de Stefan-Boltzmann
σ =5.67⋅10−8 W / m2 ⋅ K 4 y T la Temperatura Absoluta en grados Kelvin. Para un cuerpo gris: gris
E T
= AT ⋅ ε T
también llamada ley de radiación de Kirchhoff en su forma integral. La relación entre la radiación y la λ puede establecerse con mayor rigor gracias a la ley de Planck que expresa que la energía de la radiación emitida por un cuerpo negro, por unidad de área y por unidad de tiempo para un intervalo espectral unitario, se expresa a través de la emitancia espectral de un cuerpo negro ελ,T como:
ε λ ,T =
C 1
λ ⋅ e λ ⋅ − 1 5
C 2 T
en donde: C1 = 2π · h · c 2 = 3.74151 · 108 [W/m2.µm4] es la primera constante de radiación; C2 = h · c / k = 1.43879 · 10 4 [µm.K] es la segunda constante de radiación; k es la constante de Boltzmann = 1.381 · 10 -23 W.s2/K; c es la velocidad de la luz = 2.99792458 · 10 8 m/s; h es la constante de Planck = 6.626·10 -34 W.s2; y T es la Temperatura absoluta de un cuerpo negro en oKelvin [K]
La fórmula de Planck nos muestra que cualquier objeto por encima del cero absoluto (-273 °C) radia energía, y que ésta se incrementa con la temperatura. Así, a mayor temperatura, ese cuerpo radiará con más intensidad A partir de la fórmula de Planck, se puede determinar la λ para la cual se produce la máxima emitancia de un cuerpo negro conociendo su T en [K], llamada ley del desplazamiento de Wien:
λmáx (µm) = 2898 / T que tiene gran importancia para seleccionar la banda más conveniente para detectar un determinado fenómeno, siempre que se conozca su temperatura. Se denomina radiancia espectral (Lλ) al total de energía radiada por unidad de área del cuerpo, por unidad de tiempo y por unidad de ángulo sólido (fig. 6) en el intervalo espectral unitario !. Se mide en [W/m2µm Sr].
Fig. 6 Ejemplo de ángulo sólido.
Se denomina radiancia (Lt) al total de energía radiada en todo el espectro, por unidad de área y de tiempo y por unidad de ángulo sólido ! Describe lo que mide el sensor. Se 2 mide en [W/m Sr]. Estos conceptos se aplican no solo cuando la energía es emitida por el cuerpo, sino también, cuando es reflejada por éste y en consecuencia se habla a veces de radiancia emitida y radiancia reflejada.
Transmitida. La transmisión de un medio a otro de diferente densidad, tal como sucede al pasar la luz del aire a agua, causa un cambio en la velocidad de la radiación electromagnética. Abso rb id a, materia.
transformando
su energía principalmente en el calentamiento de la
Emitida por la substancia, generalmente con grandes longitudes de onda, como una función de su estructura y temperatura. Reflejada , esto es, regresan desde la superficie de un material con el ángulo de reflexión igual y opuesto al ángulo de incidencia. La reflexión es causada por superficies que son relativamente planas a la longitud de onda de la energía incidente. Dispersada, esto es, reflejada en todas direcciones. 1.2.3 Efectos atmosféricos. La propagación de toda la radiación electromagnética en el vacío se produce en línea recta y sin absorción. Cuando se intercala en la trayectoria del rayo un medio como la atmósfera o el agua se producen perturbaciones en la propagación, selectivas respecto a la λ y debidas a la absorción, dispersión, emisión, refracción y reflexión de la onda. La absorción de la radiación electromagnética en la atmósfera es ocasionada por los gases que la conforman: nitrógeno (78%) y oxígeno (21%); el 1% restante lo forman el argón (0,9%), el dióxido de carbono (0,03%), distintas proporciones de vapor de agua, y trazas de hidrógeno, ozono, metano, monóxido de carbono, helio, neón, kriptón y xenón. Los coeficientes de absorción correspondientes a cada λ, varían en función de la altura y composición de la atmósfera. A pesar de la gran absorción de la radiación en la atmósfera para diferentes λ, es posible encontrar algunas regiones del espectro de la radiación electromagnética que la pueden atravesar con relativamente poca pérdida de energía. Estas regiones del espectro se denominan ventanas atmosféricas (fig. 7) y
constituyen las zonas del espectro en las cuales se pueden emplear las técnicas de Percepción Remota.
Transmisividad atmosférica
Fig. 7. Las ventanas atmosféricas, son franjas del espectro electromagnético que delimitan longitudes de onda en las que la energía es capaz de penetrar a través de la atmósfera. La dispersión que produce la atmósfera se debe principalmente a las moléculas de gas que la componen (agua, gas, humo, etc.). De acuerdo a la relación entre el diámetro (d) de las moléculas y la λ de la radiación se tendrán tres tipos de dispersión: Dispersión Rayleigh: Ocurre cuando d es menor que la λ. Produce la pérdida de energía que explica el color azulado del cielo, cuando no se presentan partículas gruesas en la atmósfera. La luz azul (λ ≈ 450 nm) se dispersa 6 veces mas que la luz roja ( λ ≈ 700 nm). Esto se produce entre 5000 y 10000 m de altura (fig. 8). Dispersión Mie: Ocurre cuando d es aproximadamente igual a la λ .
Dispersión no selectiva: Ocurre cuando d es mayor que la λ. Esto explica el color blanco de las nubes. El vapor de agua es el único elemento que produce esta dispersión para λ inferiores a 15 µm.
A
B
C
Fig 8. Ejemplos de interacción de la energía con la atmósfera: A) Dispersión Rayleigh; B) Dispersión Mie; c) Dispersión no selectiva. La refracción atmosférica se fundamenta a partir de que la atmósfera es un medio gaseoso afectado por un índice de refracción que varía con la altura (presión y temperatura). En consecuencia, las ondas electromagnéticas no se propagan en la atmósfera en línea recta. Las turbulencias atmosféricas hacen variar el índice de refracción, motivando que la desviación que sufren las radiaciones no sea constante sino que varíe en forma aleatoria. Por ejemplo, el color rojizo con que se observa el sol sobre el horizonte es producido por dispersión y refracción de los rayos solares. La reflexión atmosférica es parte de la radiación proveniente del sol, incide sobre las nubes y partículas presentes en la atmósfera y es reflejada por estas, sin que logre incidir sobre los cuerpos de la superficie terrestre. La energía radiante Qo que incide sobre la atmósfera proveniente del sol, se descompone en: Qo = QR + QA + QG En donde:
QR es la energía reflejada hacia el espacio. QA es la energía absorbida en la atmósfera. QG es la energía que absorbe la Tierra.
1.3 Interacción de la energía con l os ob jetos Esta interacción depende de la composición química de los cuerpos, las características físicas del material de que están compuestos y de la configuración de su superficie. Desde el punto de vista de la Percepción Remota los dos tipos importantes de interacción que se producen son la reflexión y la absorción. La reflexión en los materiales sólidos puede ser: Especular: Ocurre cuando una radiación incide en forma de un haz de rayos paralelos sobre una superficie plana de un cuerpo donde su rugosidad es inferior a la λ de la radiación incidente. La energía es reflejada formando un ángulo de reflexión igual al ángulo de incidencia y estos ángulos son iguales en todos los puntos de la superficie. El haz reflejado es de rayos paralelos (fig. 9). Difusa: Ocurre cuando una radiación incide en forma de un haz de rayos paralelos sobre un material donde su rugosidad es aproximadamente del mismo orden o de mayor magnitud que la λ de la radiación incidente. Como la superficie no es plana, el ángulo de incidencia no es el mismo en cada punto de la superficie y por eso los ángulos de reflexión no son iguales entre sí y el haz que sale no es paralelo, sino difuso. Especular - Difusa: En general, las características del terreno producen una combinación de las dos reflexiones anteriores, por lo que solamente parte de la energía incidente es reflejada de manera especular. Dentro de los elementos de la cobertura física terrestre, que interaccionan con la energía electromagnética emitida por el sol, un caso especial lo constituye el agua (fig. 10 y 12), tanto en el área marina, como en los cuerpos lagunares continentales. La propagación de las ondas electromagnéticas en el agua es afectada por los mismos fenómenos que en la atmósfera, sin embargo, los fenómenos más significativos son la absorción - transmisión y la reflexión:
Fig. 9 Tipos de reflexión de la energía electromagnética. 1.3.1 Características de reflectancia del agua Absorción - transmisión: La máxima absorción del agua pura (mínima transmisión), corresponde a las radiaciones rojas e infrarrojas (aproximadamente entre los 620 y los 13 000 nm); la mínima absorción (máxima transmisión) corresponde a la banda azul– violeta (aproximadamente entre los 380 y los 500 nm). Esto explica el color azul o verde de las grandes masas de agua limpia. La presencia de contaminantes reduce la transmisión para determinadas λ. Reflexión: La presencia de partículas de sedimentos aumenta la cantidad de energía reflejada, el agua turbia refleja en mayor proporción la radiación incidente. La reflexión producida por el fondo de una masa líquida es de naturaleza difusa y depende de las características de la misma. En aguas someras y carentes de sedimentos en suspensión, en el fondo puede reflejarse un porcentaje significativo del rango visible de la radiación incidente, ya que el infrarrojo se absorbe casi en su totalidad en los primeros centímetros de agua en la superficie.
Reflectividad
Fig.10. Curvas de reflectividad del agua en estado sólido, para los intervalos del visible e infrarrojo cercano. En estas condiciones, de toda la energía que llega a la superficie del cuerpo de agua, la correspondiente al azul-verdoso tendrá la posibilidad de penetrar desde centímetros a decenas de metros de acuerdo a la turbidez, mientras que el resto, amarillo-rojo e IR solar, será totalmente absorbida en los primeros milímetros o metros de la superficie, especialmente el rojo y longitudes de onda más larga. La luz o energía electromagnética que más penetra (azul-verdosa) una vez dentro de la masa de agua, es altamente dispersada y regresa a la superficie del cuerpo como luz "submarina" o luz difusa. 1.3.2 Características de reflectancia del suelo La curva de reflectancia del suelo (fig. 11) muestra menos variación de picos y valles. Los factores que influyen en la reflectancia del suelo son contenido de humedad, textura del suelo (proporción de arena, limo y arcilla), rugosidad de la superficie, la presencia de oxido de fierro, y contenido de materia orgánica.
Los suelos finos pobremente drenados generalmente tienen baja reflectancia. Los suelos gruesos aparecen más oscuros que los suelos de textura fina. Otros dos factores que reducen la reflectancia del suelo son la rugosidad de la superficie y el contenido de materia orgánica. La presencia de óxido de fierro en un suelo también reduce significativamente la reflectancia, al menos en la región visible del espectro. Debido a las bandas de absorción del agua a 1.4 µm y 1.9 µm, un incremento en el contenido de humedad del suelo supone un decremento en reflectancia tanto en el visible como en el infrarrojo cercano. 1.3.3 Características de reflectancia de la vegetación La curva de reflectancia de la vegetación (fig. 12) verde y sana, siempre manifiesta la configuración de "picos y valles". Los valles en la porción visible del espectro son determinados por los pigmentos de la hoja. La Clorofila, por ejemplo, absorbe fuertemente energía en las bandas de longitudes de onda centradas cerca de 0.45 y 0.65 µm. Así, 'nuestros ojos perciben la" vegetación sana en color verde, dada la alta absorción de la energía del color azul y rojo por las hojas y muy alta reflexión del color verde.
Reflectancia (%)
Suelo seco
Suelo húmedo Agua
e l d o u r j z e o A V R
Vegetación
Longitud de onda (mm) Infrarrojo
Infrarrojo
cercano
medio
Fig.11. Curvas de reflectancia de suelos, vegetación y agua
1.3.3 Características de reflectancia de la vegetación
La curva de reflectancia de la vegetación (fig. 12) verde y sana, siempre manifiesta la configuración de "picos y valles". Los valles en la porción visible del espectro son determinados por los pigmentos de la hoja. La Clorofila, por ejemplo, absorbe fuertemente energía en las bandas de longitudes de onda centradas cerca de 0.45 y 0.65 µm. Así, 'nuestros ojos perciben la" vegetación sana en color verde, dada la alta absorción de la energía del color azul y rojo por las hojas y muy alta reflexión del color verde.
Fig. 12. Curvas de reflectancia de vegetación, suelo y agua.
Si una planta esta sujeta a un estres (fig. 12) que interrumpa su crecimiento y productividad, puede decrecer o cesar la producción de clorofila. El resultado es menor absorción de la clorofila en las bandas azul y rojo, y frecuentemente la reflectancia del rojo se incrementa hasta tal punto que vemos la planta virar a amarillo (combinación de verde y rojo). En el infrarrojo reflectivo del espectro vemos que en la zona cercana al 0.7 µm, la reflectancia de la vegetación sana se incrementa dramáticamente. En el intervalo de 0.7 a 1.3 µm, una hoja refleja cerca del 50% de la energía incidente. La mayor parte de energía no reflejada es transmitida, ya que la absorción en esta región espectral es mínima. La reflectancia de la planta en el intervalo de 0.7 a 1.3 µm resulta principalmente de la estructura interna de las hojas. Ya que la estructura es variable entre tipos y edades de las plantas, las mediciones de la reflectancia frecuentemente permiten discriminar tipos estructurales o estados físicos de las plantas, aunque parezcan ser las mismas en la porción visible del espectro. Así mismo, el estres altera la reflectancia en la región del infrarrojo y los sensores que operan en ella son usados frecuentemente para la detección de enfermedades en las plantas. La reflectancia baja a 1.4, 1.9 y 2.7 µm porque el agua de la hoja absorbe fuertemente a estas longitudes de onda, las cuales son conocidas como bandas de absorción de agua. La reflectancia de la hoja es inversamente proporcional al contenido de humedad en la hoja.
BIBLIOGRAFÍA Aronoff, Stanley. (1989). Geographic Information Systems. A Management Perspecíive. WDL, Canadá. Chuvieco, Emilio (1990). Elementos de Teledetección Espacial. Madrid, RIALP. Jensen, J.R. (1986). Introducíory Digital Image Processing. A Remote Sensing Perspecíive. Pretince-Hall. Lillesand, Thomas M. y Kiefer, Ralph W.(1994). Remote Sensing and Image Interpretation. John Wiley and Sons. Tercera edición. Richards, J.A. (1986) Remote Sensing Digital Image Analysis: An Introduction, Springer Verlag. New York.
FUNDAMENTOS DE TELEDETECCIÓN (Percepción remota) ÍNDICE 2. PLATAFORMAS Y SENSORES 2.1. PLATAFORMAS
2.1.1 Plataformas Aéreas 2.1.2 Plataformas Espaciales
2. PLATAFORMAS
Se consideran como plataformas aquellos aparatos o dispositivos móviles o semimóviles que llevan a bordo un sensor, el cual ha sido diseñado para colectar información de los objetos o materiales que nos rodean (fig. 2.1.1).
Fig. 2.1.1. Distintos tipos de plataformas. Podemos considerar los dos tipos más comunes de plataformas para Teledetección: aéreas y espaciales. 2.1. PLATAFORMAS
2.1.1 Plataformas Aéreas Se incluyen aquí todos los dispositivos que portan sensores para la colecta de información a nivel del interior de la atmósfera terrestre. La observación de la tierra desde las alturas comenzó durante la guerra civil norteamericana, en la que se vigilaban los movimientos de las tropas enemigas, desde globos llenos con aire caliente. Durante la primera guerra mundial, los pilotos militares comenzaron a llevar cámaras a bordo de sus aviones y durante la segunda guerra, la Percepción Remota se usó de manera extensiva para reconocimiento y monitoreo. Durante la guerra fría, la toma de fotografías aéreas se realizó regularmente con propósitos de seguridad nacional y reconocimiento de objetivos militares (fig 2.1.2).
Fig. 2.1.2. Globo aerostático; la primera plataforma aérea para observación del terreno.
Las plataformas para Teledetección evolucionaron desde mediados del siglo XIX hasta nuestros días, de manera paralela al desarrollo de sensores para la obtención de información (fig. 2.1.3.).
Fig. 2.1.3. Esquema simplificado de la evolución de las plataformas para Teledetección.
Desde la Primera y Segunda Guerras Mundiales y durante la postguerra, el desarrollo de la aviación militar y civil, fueron determinantes para la evolución de los sistemas de Percepción Remota, mediante cámaras fotográficas a bordo de estos transportes que generaban fotografías a distintas escalas (alturas de vuelo) de objetivos de interés, lo cual estimuló el crecimiento de técnicas de interpretación fotográfica y generación de cartografía (fig. 2.1.4).
Fig. 2.1.4. Plataforma aérea con cámara de 70 mm a bordo.
Al principio, las fotografías fueron obtenidas con cámaras manuales y con el tiempo, se adaptaron para ser instaladas de manera fija en la parte inferior del fuselaje de los aviones (fig. 2.1.5), pudiendo con esto generar misiones en las que existe una sincronía entre la toma de cada fotografía y la velocidad del avión. Esto hizo posible obtener series de fotografías de áreas del terreno específicas, en donde se tiene cierto grado de sobreposición (60 %) entre fotografías contiguas; en ese momento fue posible visualizar el relieve del terreno mediante estereoscopía. Cámaras fotográficas más sofisticadas, con emulsiones fotográficas especiales, hicieron posible captar las características del terreno tanto para el visible como el infrarrojo.
Fig. 2.1.5. Cámaras fotográficas de 70 mm, montadas en el fuselaje del avión. Actualmente, es posible transferir las fotografías aéreas de un formato analógico (en papel) a un formato digital y aplicar algoritmos de corrección para las distorsiones derivadas del proceso de adquisición de los datos (fig. 2.1.6).
Fig. 2.1.6. Fotografía aérea en color escala 1:20,000 de la zona de la Sierra Fría, estado de Aguascalientes, México, corregida para los ejes X, Y (latitud y longitud).
Asimismo, con información de altimetría (o modelo digital de elevación), se pueden aplicar correcciones a las fotografías por medio del proceso conocido como ortorrectificación (fig. 2.1.7).
Fig. 2.1.7. Ortofotografía digital en tonos de gris, de la parte sur de la ciudad de Aguascalientes, México. En la parte superior derecha, se aprecian las instalaciones del INEGI. 2.1.2 Plataformas Espaciales Las plataformas espaciales son satélites que pueden ser clasificados de la siguiente manera: GEOESTACIONARIOS - Telecomunicaciones - Solidaridad - Meteorológicos - GOES HELIOSINCRÓNICOS - Meteorológicos - NOAA - De reconocimiento de recursos terrestres - LANDSAT, SPOT, ERS, IKONOS, etc.
Los satélites geoestacionarios son aquellos que se encuentran orbitando en torno al planeta, a una velocidad angular que está en sincronía con la velocidad del movimiento de rotación, de tal manera que siempre están enfocando sus aparatos hacia la misma zona de la tierra. Los satélites geoestacionarios pueden ser de telecomunicaciones como el caso del satélite Morelos o el Solidaridad de México, que brindan el servicio de comunicación telefónica y de televisión (fig. 2.1.8)
Fig. 2.1.8. Satélite geoestacionario de telecomunicaciones Morelos. Otro tipo de satélites con orbita geoestacionaria son los satélites meteorológicos, como los norteamericanos de la serie GOES (Geostationary Operational Environmental Satellite), el europeo Meteosat (fig. 2.1.10), el japonés GMS (Geostationary Meteorological Satellite), entre otros. Estos satélites llevan a bordo sensores que pueden captar las condiciones tanto del terreno como del mar y la atmósfera, a nivel continental e incluso de hemisferios, en longitudes de onda del visible, del infrarrojo cercano y del infrarrojo térmico. Estos satélites permiten observar fenómenos físicos como huracanes, corrientes de aire, corrientes marinas, temperatura del mar, (fig. 2.1.9) etc.
a)
b)
c)
Fig. 2.1.9. Satélites geoestacionarios, meteorológicos (a), satélite de la serie TIROS (b) y satélite de la serie GOES (c).
Visible
Vapor de agua
Infrarrojo
Fig. 2.1.10. Imágenes del satélite METEOSAT. Otro tipo de satélites son los llamados heliosincrónicos, que describen una orbita polar y mantienen una sincronía con el movimiento de rotación de la tierra, de modo que siempre están enfocando el hemisferio que está de cara al sol (fig. 2.1.9 a). Los satélites de este tipo pueden ser los meteorológicos y los de reconocimiento de recursos terrestres. Entre los primeros están los de la serie NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration), que pueden obtener una imagen cada 12 horas (fig 2.1.11)
a)
b)
c) Fig. 2.1.11. Satélite heliosincrónico, meteorológico NOAA (a); imágenes del mismo satélite (b y c). Los otros satélites heliosincrónicos corresponden a los de reconocimiento de recursos terrestres, como los de las series LANDSAT y SPOT. El 23 de julio de 1972, comenzó una nueva era para la Percepción Remota, cuando Estados Unidos lanzó el primer satélite de la serie LANDSAT (fig. 2.1.11a). En la actualidad se encuentra operativo el LANDSAT 7 que fue puesto en órbita el 15 de abril de 1999 (fig. 2.1.11b).
Fig. 2.1.11. Primer satélite de la serie LANDSAT (a) y uno de los más recientes (b).
a)
b)
c) Fig. 2.1.12. Ejemplos de imágenes LANDSAT 3 (a y b) y LANDSAT 5 TM (c).
En 1986, se pone en órbita el primer satélite francés SPOT 1 (Système Pour l’Observation de la Terre), que lleva a bordo dos sensores multiespectrales (fig. 2.1.13) capaces de obtener imágenes de alta resolución en longitudes de onda del visible e infrarrojo cercano (fig. 2.1.14) e imágenes pancromáticas en una sola banda que abarca las longitudes de onda del visible (fig. 2.1.15).
Fig. 2.1.13. Satélite francés SPOT.
Fig. 2.1.14. Compuesto a color de imagen SPOT de la ciudad de Aguascalientes.
Fig. 2.1.15. Imagen SPOT pancromática de la bahía de Acapulco. En 1988, se pone en órbita el satélite indio de alta resolución IRS 1 (Indian Remote Sensing), que permite generar imágenes con gran detalle espacial en los modos pancromático y multiespectral (fig. 2.1.16).
Fig. 2.1.16. Imagen IRS pancromática de la ciudad de Torreón, Coahuila, México.
El 24 de septiembre de 1999, fue puesto en órbita el primer satélite de la serie IKONOS (fig. 2.1.17), que genera imágenes de alta resolución en modos pancromático y multiespectral (fig. 2.1.18).
Fig. 2.1.17. Satélite IKONOS.
Fig. 2.1.18. Compuesto a color de imagen IKONOS de Hong Kong.
BIBLIOGRAFÍA
Aronoff, Stanley. (1989). Geographic Information Systems. A Management Perspecíive. WDL, Canadá. Chuvieco, Emilio (1990). Elementos de Teledetección Espacial. Madrid, RIALP. Jensen, J.R. (1986). Introducíory Digital Image Processing. A Remote Sensing Perspecíive. Pretince-Hall. Lillesand, Thomas M. y Kiefer, Ralph W.(1994). Remote Sensing and Image Interpretation. John Wiley and Sons. Tercera edición. Richards, J.A. (1986) Remote Sensing Digital Image Analysis: An Introduction, Springer Verlag. New York.
FUNDAMENTOS DE TELEDETECCION (Percepción remota) ÍNDICE
3. SENSORES 3.1. SENSORES
3.1.1 Sensores pasivos 3.1.2 Sensores activos 3.1.3 Resolución de un sistema sensor
3.1 SISTEMAS SENSORES
Los sensores pueden clasificarse en pasivos y activos. Los sensores pasivos son aquellos que basan su funcionamiento en una fuente de energía externa; ejemplo de estos son los ojos, las cámaras fotográficas o los sensores óptico electrónicos. Los sensores activos son aquellos que funcionan gracias a que producen su propia energía, la cual es emitida por una antena y se registra el tiempo que tarda en retornar; ejemplo de estos sensores es el RADAR, el SONAR o la cámara fotográfica con sistema de flash (fig 3.1.1)
SENSORES PASIVOS Y ACTIVOS Percepción remota usando radiación solar reflejada PASIVO
Percepción remota usando radiación emitida por los objetos PASIVO
Percepción remota usando radiación emitida por el propio sensor ACTIVO
Fig. 3.1.1 Funcionamiento de los sensores pasivos y activos.
3.1.1 Sensores pasivos
Los sistemas de sensores remotos pasivos registran la energía que se irradia naturalmente o se refleja desde un objeto. La fotografía con flash es un ejemplo de sistema activo, en contraste con la fotografía de luz del sol que funciona como sistema pasivo.
Ultraviolesta
Visible
ESPECTRO
Infrarrojo
MICROONDAS
ELECTROMAGNETICO
Los sensores fotográficos funcionan en longitudes de onda del visible. También existen emulsiones fotográficas que detectan el comportamiento de la luz al incidir sobre los objetos, en longitudes de onda del infrarrojo cercano (fig. 3.1.1.1)
Fig.3.1.1.1. Configuración general de un sistema fotográfico.
Entre los sensores pasivos, los más habituales en teledetección son los exploradores o rastreadores de barrido (scanners). Un espejo móvil, que oscila perpendicularmente a la dirección de la trayectoria, les permite explorar una franja del terreno a ambos lados de la traza del satélite. La radiancia recibida por este componente óptico, se dirige a una serie de detectores, que la amplifican y convierten a una señal eléctrica. Esta, a su vez, se transforma a un valor numérico, que puede almacenarse a bordo o transmitirse a la red de antenas receptoras (fig. 3.1.1.2).
Fig. 3.1.1.2. Componentes de un sistema de teledetección.
En muchos equipos de exploración por barrido, la señal recibida se descompone a bordo en varias longitudes de onda (fig 3.1.1.3), cada una de las cuales se envía a un tipo especial de detectores, sensibles a ese tipo de energía. En ese caso, se habla de exploradores de barrido multiespectral, pues detectan la misma superficie de terreno en distintas bandas del espectro. El número y anchura de estas bandas está en f unción del diseño del propio sensor, del número de detectores con que cuente, de su óptica, capacidad de almacenamiento y transmisión de datos, etc (fig. 3.1.1.4).
Pancromáticos
Hiperespectrales Visible
Infrarrojo
Multiespectrales Fig. 3.1.1.3. Los barredores multiespectrales funcionan para longitudes de onda dl visible y del infrarrojo. Los más utilizados han sido los incluidos en los programas Landsat (MSS, Multiespectral Scanner (fig. 3.1.1.5) y TM, Thematic Mapper), TIROS-NOAA (AVHRR, Advanced Very High Resolution Radiometer), Nimbus (CZCS, Coastal Zone Color Scanner), Skylab (SI 92), y HCMM (HCMR, Heat Capacity Mapping Radiometer).
E
s e
V D irección de V uelo
M
e
B D irección de Barrido S
v B
Sensor
E E lectrónico M M otor e Espejo
Fig. 3.1.1.4. Configuración general de un barredor multiespectral.
Fig. 3.1.1.5. Barredor multiespectral del sistema LANDSAT.
En los exploradores de empuje se elimina el espejo oscilante, gracias a que se dispone de una cadena de detectores que cubre todo el campo de visión del sensor. Estos detectores se van excitando con el movimiento orbital del satélite, de ahí el nombre de explorador de empuje, puesto que explora, en cada momento, una línea completa, desplazándose ésta simultáneamente con la plataforma. Esta tecnología permite aumentar la resolución espacial del sistema respecto a los barredores convencionales. Los exploradores de empuje (fig. 3.1.1.6) se han incorporado ya a varios proyectos de teledetección, como es el caso del sistema LANSAT TM, del satélite francés SPOT, del indio IRS-1 y del japonés MOS-1.
E
SS E Electrónico
SS Sistem a de Sensores
V B D irección de Barrido
B
V
Fig. 3.1.1.6. Configuración general de un barredor de empuje.
D irección de V uelo
Las características funcionales de los sistemas sensores pasivos son su tipo de registro analógico o digital a través de sus sistemas ópticos y electrónicos (fig. 3.1.1.7). Registro analógico Plano de imagen aérea
Sistema óptico
Cámara (fotografía aérea)
Registro digital
Registro digital
Sistema óptico
Detector de arreglo lineal
Sistema óptico
Detector puntual
Explorador de barrido
Explorador de empuje
Fig. 3.1.1.7. Características funcionales de los sistemas sensores. 3.1.2 Sensores activos
Los sensores activos son aquellos que emiten su propia energía, misma que es captada a su retorno por el sensor. Con esto, no dependen de una fuente externa de energía para funcionar por lo que pueden hacerlo en condiciones de oscuridad (fig. 3.1.2.1). Ejemplo de estos sensores son el RADAR (Radio Detection and Ranging) y el LIDAR (Light Detection and Ranging). Estos sensores han sido utilizados recientemente para la generación de imágenes con grandes posibilidades de aplicación en las áreas d geomorfología, batimetría y otras.
Radares
Microondas
Fig. 3.1.2.1. Sistemas de RADAR aéreo de vista lateral y RADARSAT. 3.1.3. Resol ución de un sistema sensor
De acuerdo con algunos autores, se puede definir la resolución de un sistema sensor como su habilidad para registrar, discriminando la información de detalle (fig. 3.1.3.1). La resolución espacial esta referida al tamaño del objeto más pequeño que puede ser distinguido sobre una imagen. En los sensores óptico electrónicos, se prefiere utilizar el concepto de tamaño de la mínima unidad de información incluida en la imagen, que se denomina pixel. La resolución espectral indica el número y anchura de las bandas espectrales que puede discriminar el sensor. La resolución radiométrica hace mención a la sensibilidad del sensor, es decir, a su capacidad para detectar variaciones en la radiancia espectral que recibe. El número de valores que incluye ese rango -esto es, el número máximo de niveles digitales de la imagen-, suele identificarse con la resolución radiométrica del sensor
La resolución temporal alude a la frecuencia de cobertura que proporciona el sensor, es decir, se refiere a la periodicidad con la que éste adquiere imágenes de la misma porción de la superficie terrestre.
Resolución temporal 0.30 min
R e s o l u c i ó n
12 h
15 días
30 días
150 días SEASAT-SAR SPOT-HRV(P)
1 banda
SPOT-HRV(XS) LANDSAT-MSS MOS-MESSR METEOSAT
3 bandas
NOAA-AVHRR
E s p e c t r a l
LANDSAT-TM
5 bandas
7 bandas
10m
30m
80m
1 km
5 km
Resolución espacial Fig. 3.1.3.1 Relaciones entre resolución espacial, espectral y temporal para distintos sensores.
A continuación se muestran algunas características de resolución espacial y espectral de distintos sensores de reconocimiento de recursos terrestres, que incluyen sensores pasivos y activos, asi como la estructura de una imagen del LANDSAT TM (fig. 3.1.3.2).
RESOLUCION ESPECTRAL Y ESPACIAL DEL SATELITE GOES
(Geostationary Operational Environmental Satellite) B a Rango de longitud Resolución n de ond a (mm) espacial d a 1 0.52 - 0.72 (visible)
1 km
2 3.78 cercano)
4.03
(IR
4 km
6.47 medio) 4 10.2 termal) 11.5 5 termal)
7.02
(IR
11.2
(IR
12.5
(IR
3
Apl ic ación Detección de nubes, contaminación y niebla, identificación de tormentas Identificación de nubes de agua, nieve o hielo durante el día; deteccion de fuegos y volcanes; determinación de temperaturas de la superficie del mar.
4 km
Estimación de contenido de humedad en ciertas regiones.
4 km
Identificación de patrones de movimiento de nubes y corrientes de viento, tormentas y aguaceros. Identificación de bajos niveles de humedad; determinación de temperatura de la superficie del mar.
4 km
RESOLUCION ESPECTRAL Y ESPACIAL DEL SATELITE NOAA
(National Oceanic and Atmospheric Administration) B a n d a 1 2
Rango de longitud de onda Resolución Aplicación en mm espacial 0.58 - 0.68 (rojo) 0.725 - 1.1 (IR cercano)
1.1 km 1.1 km
3
3.55 -3.93 (IR medio)
1.1 km
4
10.3 - 11.3 (IR termal)
1.1 km
5
11.5 - 12.5 (IR termal)
1.1 km
F o r m a to
Monitoreo de hielo, nieve y nubes Estudios de agua, vegetación y agricultura Temperatura de la superficie del mar, actividad volcánica y de fuegos forestales Temperatura de la superficie del mar y humedad del suelo Temperatura de la superficie del mar y humedad del suelo
Resolución espacial
APT (Transmisión automática de 4 km imagen) H R P T ( T r a n sm i s ió n d e im a g e n d e 1.1 km alta resolución) G A C ( C ob e rt u r a d e á re a g l o b al )
4 km
L A C ( C o b e rt u r a d e á r e a lo ca l)
1 .1 k m
T r a n s m i s ió n y P ro c e s o
Transmisión y despliegue directo de baja resolución Transmisión y despliegue directos de máxima resolución Cobertura de datos registrados con baja resolución M á x i m a re s o l u c i ó n d e á r e a l o c a l s e le c c i o n a d a d e d a t o s r e g i s tr a d o s
BANDAS ESPECTRALES DEL SATELITE CZCS (Coastal Zone Colour Scanner) Canal 1 2 3 4 5 6
Rango de longitud de onda (mm) 0.43 - 0.45 0.51 - 0.53 0.54 - 0.56 0.66 - 0.68 0.70 - 0.80 10.5 - 12.50
Parámetro de medición primario Absorción de la clorofila Absorción de la clorofila Substancia amarilla Concentración de clorofila Vegetación superficial Temperatura superficial
RESOLUCION ESPECTRAL Y ESPACIAL DEL SATELITE MOS (Marine Observation Satellite) Sen so r MESSR
VTIR
Ran go s d e lon git ud d e on da ( mm ) 0.51 - 0.59 0.61 - 0.69 0.72 - 0.80 0.80 - 1.10 0.50 - 0.70 6.0 - 7.0 10.5 - 11.5 11.5 - 12.5
Res ol uc ió n es pac ial 50 m 50 m 50 m 50 m 900 m 2700 m 2700 m 2700 m
A mpl it ud d e f ran ja 100 km 100 km 100 km 100 km 1500 km 1500 km 1500 km 1500 km
BANDAS ESPECTRALES DEL MSS LANDSAT (Multispectral Scanner of Land Earth Satellite) Canal L a n d s a t 1 ,2,3 MS S 4 MS S 5 MS S 6 MS S 7
R a n g o d e lo n g i tu d d e o n d a ( mm ) L an d s a t 4,5 MS S 1 MS S 2 MS S 3 MS S 4
0 .5 0 .6 0 .7 0 .8
-
0 .6 0 .7 0 .8 1 .1
(v er d e ) (ro jo ) (in fr a rro jo c e rc a n o ) (in fr a rro jo c e rc a n o )
BANDAS ESPECTRALES DEL TM LANDSAT (Thematic Mapper) Canal TM 1 TM 2 TM 3
TM 4
TM 5 TM 6 TM 7
Rango de longitud de A p p l i c a t i o n o n d a (m m ) Discriminación de suelo/vegetación; mapeo costero y 0 .4 5 - 0. 5 2 (a zul) b a t i m é t r ic o ; i d e n t i fi c a c i ó n d e r a s g o s u r b a n o c u l t u ra l e s Mapeo de vegetación verde (medidas de picos de 0 .5 2 - 0. 6 0 (ve rd e) r e fl e c t a n c i a ) ; id e n t i f ic a c i ó n d e r a s g o s u r b a n o c u l t u ra l e s D i s c r im i n a c i ó n d e á r e a s c o n y s i n v e g e t a c i ó n y d e t i p o s 0 .6 3 - 0. 6 9 (r o jo ) estructurales; identificación de rasgos urbano culturales Identificación de tipos estructurales de vegetación, 0.76 0.90 (IR e s t i m a c i o n e s d e s a l u d , y c o n t e n i d o d e b i o m a s a d e l a cercano) vegetación; delimitación de cuerpos de agua; humedad del suelo. 1.55 1.75 ( I R S e n s i b le a l a h u m e d a d d e l s u e l o y v e g e ta c i ó n ; cercano) discriminación de áreas cubiertas por nieve y nubes. D i s c r im i n a c i ó n d e l “ s tr e s s ” d e l a v e g e t a c i ó n y h u m e d a d 1 0 . 4 - 12 .5 (IR t e rm al) d e l s u e l o r e l a c io n a d a s c o n l a r a d i a c i ó n t é r m i c a ; m a p e o termal de agua y zonas u rbanas. D i s c r im i n a c i ó n d e t i p o s d e r o c a y m i n e r a l e s ; s e n s i b l e a l 2 .0 8 - 2 .3 5 (IR m e dio ) c o n t e n id o d e h u m e d a d d e l a v e g e t a c ió n .
BANDAS DEL SATELITE SPOT HRV (High Resolution Visible) M o d o /B a n d a P a n c ro má tico (P L A ) M u l t ie s p e c t ra l ( M L A ) B a nd a 1 B a nd a 2 B a nd a 3
R a n g o d e lo n g i t u d d e o n d a (m m ) 0 .5 1 - 0 .7 3 (a z u l-v e rd e -r ojo )
0.5 0 - 0.5 9 (v e rd e ) 0 .6 1 - 0.68 (r o jo ) 0.7 9 - 0.8 9 (in fra rr o jo )
SPOT: Système Pour l’Observation de l a Terre
RESOLUCIÓN ESPECTRAL, ESPACIAL Y TEMPORAL DEL IRS (Indian Remote Sensing) Sensor PA N LISS-II V e rde R o jo IR c e rc a no IR de onda corta WiFS R o jo IR c e rc a no
Rango de longitud Resolución espacial d e o n d a (m m ) 0 .5 - 0 .75 5.8 m
A m p l i t u d de franja 70 km
Resolución temporal (en el ecuador) 24 día s
0 . 52 - 0 .59 0 . 62 - 0 .68 0 . 77 - 0 .86
23 m 23 m 23 m
14 2 k m 14 2 k m 14 2 k m
24 día s 24 día s 24 día s
1 . 55 - 1 .70
70 m
14 8 k m
24 día s
0 . 62 - 0 .68 0 . 77 - 0 .86
1 88 m 1 88 m
77 4 k m 77 4 k m
5 día s 5 día s
LISS: Linear Imaging Self-scanning Sensor; WiFS: Wid e Field Sensor
RADARSAT ( Canadiense) – Banda C (5.3 GHz) – Altura 800 Kms – Angulo Incidencia 20º - 50º – Ciclo 24 días
ERS - 1( Euro peo)
– Banda C
– Espacial 30 x 30mts .
– Polarización VV – An gu lo de i nci den cia 23º
– Tamaño d e imagen 100 x 100 Kmt s
Y n e l a i c a p s e n ó i c i s o P
B 7 B 6 B 5 B 4 B 3 B 2 B 1
Posición espacial en X Fig. 3.1.3.2. Estructura de una imagen del LANDSAT TM.
El sistema SPOT lleva a bordo dos sensores HRV (fig. 3.1.3.3) que permiten tomas tanto laterales como verticales, lo que permite reducir la resolución temporal a 3 o 4 días, además de que permite generar productos fotográficos de una misma zona con tomas a distintos ángulos que habilitan la posibilidad de generar pares estereoscópicos (fig. 3.1.3.4).
Fig. 3.1.3.3 El satélite SPOT.
Fig. 3.1.3.4. Pares estereoscópicos SPOT.
