TELEDETECCIÓN TELEDETECCIÓN Y FOTOGEOLOGÍA 1.TELEDETECCIÓN Introducción Ondas electromagnéticas Interacción entre la energía electromagnética y la materia Espectro Espectro electrom electromagné agnétitico co Tipos de métodos de teledetección Imagen. Características 2.FOTOGRAFÍA AÉREA Introducción Ventajas Desventajas Clasificación lasificación.. Características. Ap Aplic licacion iones para la explor loración ión mine inera 3. SENSORES REMOTOS Introducción Ventajas Desventajas Ap Aplic licacion iones 4. IMÁGENES DE INFRARROJO TÉRMICO Introducción Ap Aplic licacion iones 5. IMÁGENES DE RADAR Introducción Ap Aplic licacion iones
Basado fundamentalmente fundamentalmen te en el libro de M. Gutiérrez Claverol Claver ol titulado “Compendio de Teledetección Geológica”, Universidad de Oviedo, 1993.
TELEDETECCIÓN Y FOTOGEOLOGÍA 1.Teledetección INTRODUCCIÓN ♦ La teledetección supone la recogida de información desde la superficie terrestre o la atmósfera a partir de la captación de radiación electromagnética emitida o reflejada por éstas. Esta
energía es registrada en un sensor situado en algún tipo de aeronave que lo porta. ♦ Principales elementos de los sistemas de teledetección : sensor , objeto observado y flujo energético que los pone en relación → Interacción necesaria. El flujo energético puede
proceder del objeto por reflexión de la luz solar o puede ser energía emitida por el objeto o bien por el sensor. ♦ Gran desarrollo reciente. La teledetección estuvo mucho tempo reducida a la fotografía aérea.
El éxito de estas aplicaciones llevó a extender la recogida de información registrando ondas del espectro no visible (infrarrojo, etc.). La eficacia de estos métodos se incrementó con su utilización en satélites artificiales, a partir de los 60’s. ♦ Numerosas aplicaciones : permiten el reconocimiento de las características topográficas
locales o regionales, así como su interrelación con la geología (diferentes tipos de rocas reflejan la radiación a diferentes longitudes de onda), sirviendo de ayuda para la localización de áreas con potencial minero. ♦ Algunas características geológicas asociadas con la presencia de depósitos minerales
(gossans de alteración, alteraciones hidrotermales en rocas encajantes, fracturas, etc.) pueden ser detectadas mediante sensores remotos, aún con recubrimientos importantes. ♦ La expresión de los mapas en formato digital permite su combinación mediante técnicas G.I.S. ♦ Es diferente de los métodos geofísicos
ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS La forma de las ondas electromagnéticas consiste en una variación periódica y conjunta de los vectores de intensidad de campo eléctrico y magnético perpendicularmente entre sí y respecto a la dirección de propagación. Los parámetros que caracterizan la onda son: 1
♦ Longitud de onda (λ): distancia entre dos puntos entre los que se repite la misma morfología
de la onda. Se mide en unidades de longitud (m). Para una misma radiación, λ varía según el medio que atraviese. ♦ Frecuencia (f ): nº de repeticiones por segundo. Se mide en ciclos/s. Es la magnitud que
mejor caracteriza una radiación, porque es constante para cada radiación. [Velocidad=V=λf ]
INTERACCIÓN ENTRE LA ENERGÍA ELECTROMAGNÉTICA Y LA MATERIA Depende de las características particulares de la radiación y de la sustancia ♦ Fenómenos determinados por factores superficiales (color, rugosidad): o
o
o
La materia puede emitir ondas electromagnéticas con frecuencias (f) características según las diferencias entre los estados energéticos de sus electrones La materia puede reflejar radiación electromagnética → devolver la radiación incidente sin cambios desde su superficie con un ángulo de reflexión igual y opuesto al de incidencia. Es la forma de interacción más empleada en teledetección La materia puede dispersar la radiación electromagnética → difundirla de modo que los rayos no sigan una trayectoria recta, sino que se dispersen en todas direcciones
♦ Fenómenos determinados por factores internos (densidad, conductividad): o
o
La materia puede absorber radiación electromagnética, cuya energía produce el calentamiento de dicha materia La materia puede transmitir la radiación electromagnética, cambiando su velocidad al ser atravesada, en función de su índice de refracción. En las sustancias anisótropas esta transmisión suele causar la polarización de la luz
Cada tipo de material tiene una interacción diferente con la misma radiación y por ello emite o refleja diferentes niveles de energía, que pueden ser recogidos por los sensores de los sistemas de teledetección, los cuales transmiten posteriormente la información a las estaciones receptoras. Entre sensor y superficie se interpone la atmósfera, que dispersa y absorbe parte de la señal original.
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ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO La λ de las ondas electromagnéticas puede variar entre 10-18 y 105m. Se distinguen varias regiones: ♦ Ondas de radio: (λ desde algunos km hasta 30 cm). Se usan en radio y televisión. Se generan
mediante circuitos eléctricos. No tienen aplicación en teledetección, salvo algunos tipos de radares de alta longitud de onda. ♦ Microondas: (λ entre 30cm y 1mm). Se generan con dispositivos electrónicos. Entre ellas están
las ondas de radar, usadas en teledetección. Permiten trabajar a través de las nubes (que dispersan la radiación de λ<0.3 cm) ♦ Infrarrojo: (λ entre 1 mm y 0.7 µ). Se producen por cuerpos calientes. En teledetección se usa
el intervalo 0.7-3µ, correspondente a la energía solar reflejada por la superficie terrestre (infrarrojo reflejado o visible) y los intervalos 3-5µ y 8-14µ, correspondientes a radiación emitida por la Tierra (infrarrojo térmico). El resto de λ corresponden a ondas absorbidas por los gases de la atmósfera (CO2, H2O, O3...) ♦ Visible: (λ entre 0.7µ y 0.4µ). Es la única radiación electromagnética que percibe el ojo humano,
coincidiendo con las λ de máxima radiación solar (0.5µ). Se produce por el ajuste del movimiento de los electrones dentro de átomos y moléculas. Se distinguen tres bandas relacionadas con los colores asociados a sus λ: azul (0.4-0.5µ), verde (0.5-0.6µ) y rojo (0.6-0.7µ). Se trata de un intervalo reducido dentro del espectro. En teledetección se consideran junto al visible los sectores más próximos del infrarrojo y el ultravioleta, a los que son sensibles las películas fotográficas. ♦ Ultravioleta :(λ entre 0.4µ y 10-3µ). Se produce por átomos y moléculas en descargas eléctricas.
El sol es su fuente más importante. Resulta absorbida casi totalmente en la atmósfera (salvo la de λ>0.3µ). Ello limita su uso en teledetección. ♦ Rayos X: (λ entre 10-3µ y 0.03nm). Se producen por los electrones atómicos más internos y
cuando se bombardea un metal con e- muy acelerados. Su energía es enorme y producen disociación e ionización en lo que atraviesan ♦ Rayos γ γ: (λ<0.03nm). Se producen por sustancias radiactivas y su absorción provoca cambios
nucleares. Su emisión natural por parte de minerales radiactivos se utiliza en prospección, pero no en teledetección Las radiaciones de energía similar a las características de los e- de los átomos o moléculas de la materia (infrarroja, visible y UV) tienen una mayor interacción con la misma. 3
TIPOS DE MÉTODOS DE TELEDETECCIÓN ♦ Métodos activos : Necesitan suministrar su propia fuente de energía que se dirige hacia el
objeto a detectar (p.e.: radar, fotografía con flash) ♦ Métodos pasivos: Registran la energía radiada o reflejada naturalmente por el objeto (p.e.:
fotografía convencional, infrarrojo, rayos γ ) Existen sistemas de detección zonales, que adquieren imágenes instantáneas de una zona (cámaras fotográficas, sistemas de vídeo) y sistemas de barrido (escáners...), cuyas imágenes se producen con un único detector que se desplaza a lo largo del terreno (según la trayectoria o transversalmente a la misma) IMAGEN. CARACTERÍSTICAS Imagen es cualquier representación bidimensional obtenida mediante sensores remotos, independientemente del dispositivo que se use para su captura o de la λ que capte. ♦ Escala: relación entre la distancia medida entre dos puntos de la imagen y la distancia real
entre dichos puntos mediada sobre el terreno. Depende de la altitud, campo angular del detector y amplificación ♦ Brillo : intensidad de radiación electromagnética procedente del objeto. Es subjetivo, a
diferencia de la luminosidad (medida de intensidad de luz) ♦ Contraste: relación entre luminosidad máxima y mínima de una imagen. Depende de la
respuesta del objeto, la sensibilidad del sistema o la difusión de la energía en la atmósfera. Puede ser manipulado artificialmente. ♦ Resolución: mínima separación entre dos objetos para la cuál éstos aparecen independientes
en la imagen. Está determinada por el “poder de resolución” del sistema detector.
PROCESADO DIGITAL DE IMÁGENES: El carácter numérico de los datos multiespectrales permite el tratamiento y combinación de las señales registradas, mejorando la calidad de las imágenes y facilitando su interpretación de una forma cuantificable y reproducible.
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2. Fotografía aérea INTRODUCCIÓN Se trata de una técnica de teledetección en la que se registra energía luminosa por medio de procedimientos fotográficos. Es la técnica más utilizada para la elaboración de mapas topográficos o para estudios geológicos (FOTOGEOLOGÍA), de ingeniería o ambientales. Cubre el campo espectral del visible y sectores próximos del infrarrojo y UV, coincidiendo con el campo de sensibilidad de las películas fotográficas. Utiliza la reflexión de esta radiación (“luz”) en la superficie terrestre. Es importante la dispersión de la radiación por parte de la atmósfera Comenzó a utilizarse durante la Guerra de Secesión americana → 1ª Guerra Mundial → 2ª Guerra Mundial. En España, la primera campaña a nivel nacional la realizó en 1956 el ejército norteamericano. Hoy es una herramienta imprescindible para la cartografía geológica Las películas constan de una base transparente y flexible recubierta de una emulsión de haluro de plata, cuyos e- se activan al contacto con la luz. Mediante el procedimiento químico de procesado, se transforma la imagen latente en una imagen real (negativo) VENTAJAS ♦ Gran capacidad de almacenamiento de información ♦ Visión estereoscópica: a través de un sistema óptico (estereoscopio) se individualiza la
observación del mismo sector fotografiado en dos imágenes sucesivas (par) de modo que el observador percibe cada imagen por un ojo. La composición en el cerebro de las imágenes formadas en ambos ojos permite la reconstrucción y percepción del relieve. ♦ Alta resolución y operabilidad ♦ Bajo coste
DESVENTAJAS ♦ Restricción a un reducido campo espectral ♦ Influencia de condiciones de iluminación y factores atmosféricos ♦ Restricción de su resolución según las características de cámara y película ♦ Cubren áreas relativamente reducidas (decenas de km2 como máximo), con escalas que
oscilan entre 1:100.000 y 1:20.000. ♦ Fotografía convencional → no digital 5
CLASIFICACIÓN. CARACTERÍSTICAS. ♦ Según el ángulo del eje de toma de la vista, o grado de inclinación: o
o
Oblicuas : el ángulo de toma tiene cierta inclinación. Pueden ser lo bastante inclinadas como para reflejar la línea del horizonte, o de lo contrario, se trata de fotografías “oblicuas sin horizonte”. Verticales : eje de toma prácticamente perpendicular a la superficie. Se pueden usar para elaboración de cartografía por medio de restitución fotogramétrica ( → grado de inclinación nulo). Si se toman en secuencia de forma que pares sucesivos se solapen en más del 50% de la superficie fotografiada → recubrimiento estereoscópico → visión tridimensional
♦ Según el tipo de energía que ha sido captada (tipo de película / filtros...):
1. Pancromáticas: captan toda la energía potencialmente registrable. Pueden ser: • En blanco y negro → es la forma originaria convencional. Alta sensibilidad y resolución,
pero bajo contraste de gama de grises • En color: pueden obtenerse superponiendo imágenes de los tres colores primarios aditivos
(azul, verde y rojo)
2. Infrarroja: sólo reflejan una parte de la energía potencialmente registrable (radiación IR más próxima al espectro visible). Se usan para fines específicos. Pueden ser: • En blanco y negro → Gran penetración (eliminación neblinas), alto contraste y resolución.
Máxima reflectancia de vegetación. La radiación IR es absorbida por el agua → aparece negra con bordes netos • En color → muchas posibilidades cambiando la sensibilidad de los diferentes niveles. -
Su primera aplicación fue la película de detección de camuflaje con fines militares.
-
El contraste es mayor que en la fotografía en color convencional, porque se elimina dispersión y se aumenta reflectancia.
-
La vegetación se ve roja y las diferencias de reflectancia entre distintos tejidos vegetales son más acusadas en la región del IR → se puede predecir enfermedad vegetal.
-
Los contactos tierra-agua se ven muy netos (los terrenos húmedos se ven oscuros).
-
Las zonas de sombra se ven oscuras. Las rocas rojas se ven amarillas. 6
3. Ultravioleta: sólo reflejan una parte de la energía potencialmente registrable (radiación UV más próxima al espectro visible). • En blanco y negro → Bajo contraste (alta dispersión) y baja resolución. La radiación solar
provoca la fluorescencia del petróleo → útil para su localización. Las fotografías aéreas suelen tomarse entre las 10 a.m y las 3 p.m., cuando el sol está más alto → mayor iluminación y menos sombras.
APLICACIONES PARA LA EXPLORACIÓN MINERA La fotogeología es una herramienta imprescindible para el reconocimiento preliminar e interpretación geológica del terreno y la planificación de los trabajos de campo ♦ Relieve: Ciertas litologías presentan una topografía característica, para un clima dado.
También se pueden observar morfologías superficiales (coluviones, llanuras aluviales, etc.) ♦ Tono o brillo de las fotografías pancromáticas: Depende de la naturaleza de la roca (arenisca → tono más claro que pizarra) entre otros factores (luz, película...) ♦ Redes de drenaje: Sus diferentes formas (dendríticas, rectangulares, etc.) dependen de los
materiales que erosionan ♦ Vegetación y usos del terreno : la distribución de la vegetación, ya sea natural o cultivada,
está condicionada por el tipo de materiales aflorantes. La espesura de vegetación dificulta la interpretación ♦ Alineaciones : Puede distinguirse la presencia de fallas, fracturas, filones, contactos entre
distintos materiales, etc. También otros accidentes como pliegues, cabalgamientos, intrusiones, etc. ♦ Otras características no relacionadas con la geología, pero que pueden resultar útiles durante
la campaña de prospección: vías de acceso, arroyos o zonas preferentes para prospección geoquímica y geofísica, pueblos, etc.
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3. Sensores Remotos INTRODUCCIÓN Permiten la caracterización de la superficie terrestre mediante instrumentos montados en un satélite que barre y mide la radiación solar emitida por dicha superficie. El primer satélite LANDSAT 1 (1972) tenía como objetivo el estudio de los recursos. Su potencial aplicación geológica llevó a que el LANDSAT 4 (1982) incluyese una unidad de barrido ( Thematic Mapper ) con parte de sus bandas específicamente diseñadas para interpretaciones geológicas y permitiendo una mayor resolución (menor tamaño de píxel) Las imágenes de satélite cubren amplia áreas de superficie y pueden trabajar con un amplio espectro electromagnético. La teledetección multiespectral obtiene información de varias bandas del espectro electromagnético (entre 0.4 y 1.7µ) mediante barridos del terreno según líneas consecutivas y perpendiculares al vuelo. La radiación procedente de cada elemento del terreno – pixel- se registra simultáneamente de forma óptica o electrónica mediante detectores. Estas técnicas son herramientas clásicas para la exploración de yacimientos minerales, con variadas aplicaciones en estudios geológicos, estructurales, hidrogeológicos, etc. VENTAJAS ♦ Visión sinóptica: una imagen puede cubrir varios miles de km2. Interés para interpretaciones
estructurales y campañas geológicas preliminares rápidas y económicas ♦ Homogeneidad en la adquisición de datos: un mismo sensor recoge información de un amplia superficie de forma casi instantánea → coherencia ♦ Resolución: elevada y en constante mejora ♦ Repetitividad: permite realizar estudios cíclicos, ya que los satélites cubren las mismas zonas
de forma periódica –y con periodos cortos♦ Registro de información imperceptible al ojo humano: captura de radiación reflejada o emitida
por la superficie en regiones no visibles del espectro electromagnético ♦ Formato digital de la imagen: facilita su procesado, su estudio (matemático...), uso e
interpretación. DESVENTAJAS ♦ Datos no estereoscópicos: no lo son los de la serie Landsat, pero sí los que facilitan otros
satélites 8
APLICACIONES ♦ Cartografía geológica: las imágenes de satélite permiten observar la geología de grandes
áreas y resultan útiles para: o
o
o
o
Actualización de mapas antiguos a escalas pequeñas → homogeneizando información existente Apoyo a la cartografía de reconocimiento → agrupando información compleja, deduciendo la continuidad y extensión de conjuntos geológicos, correlacionando litologías, variaciones en vegetación y biomasa, etc. Soporte de información geológica → la interpretación fotogeológica parcial se transfiere conjuntamente sobre imágenes de satélite corregidas y referenciadas Apoyo directo a la cartografía → en ausencia de fotografía aérea
♦ Geología estructural : las imágenes de satélite permiten integrar elementos tectónicos antes
dispares entre sí. Resultan vitales para el conocimiento de: o
Sistemas de fracturación : perceptibles en función de la vegetación, el contenido en agua de
los suelos y otras morfologías que dan contraste o
Lineamientos: su importancia y abundancia como metalotectos ha sido revelada mediante las
imágenes espaciales. Suele tratarse de discontinuidades lineales o curvilíneas relacionadas con fallas, fracturas, fenómenos tectónicos diversos o elementos morfológicos del paisaje. Se estudia la frecuencia, densidad, dirección y orientación de las familias de lineamientos. Mediante el análisis de imágenes Landsat se han identificado los lineamientos más importantes del NO de la Península Ibérica. Estos corresponden a zonas de debilidad estructural y a ellos se vinculan muchas mineralizaciones, en relación con magmatismo y parecen haber condicionado algunas cuencas carboníferas y ciertas fisiografías. o
Anomalías en la reflectancia: en los climas húmedos, la relación roca-suelo-vegetación es
muy estrecha y la cubiertavegetal puede facilitar información geológica. P.e.: variación de reflectancia en una zona circular dentro de un área de cultivo de cereales en Francia → centrada sobre un domo granítico → altos valores en As, W, Sn y Li en los suelos. Estas variaciones son más acusadas en el comienzo de la actividad clorofílica. o
Estructuras circulares : Es más evidente en las regiones desérticas –sin recubrimiento-.
Corresponden a diversas causas (macizos graníticos, impactos de meteoritos, fosas de subsidencia, anomalías geoquímicas o geofísicas, etc.). P.e.: O de Galicia. -Geología aplicada: Aplicaciones en ingeniería geológica y geotecnia (selección emplazamiento de obras civiles, vías de transporte, materiales de construcción, resistencia de rocas, zonas carstificadas, hidrogeología, riesgos geológicos, etc. -Otros: Establecimiento de mapas temáticos, previsión de cosechas, detección de enfermedades 9
vegetales, identificación y evaluación de zonas catastróficas (incendios, etc), evaluación de reservas hidrológicas (nieve, icebergs...), control de contaminación, etc.
4. Imágenes de Infrarrojo Térmico INTRODUCCIÓN Consisten en la captura de la energía correspondiente al infrarrojo térmico (3 a 15 µ) que todos los materiales de la corteza terrestre emiten tanto de día como de noche. Estas imágenes registran la Tª radiante de los materiales, que representa una propiedad no visible por el ojo humano y que está relacionada con su inercia térmica y su densidad. Comenzaron a emplearse en los 50’s para fines militares. Tras comprobar sus posibilidades cartográficas, se desarrolló con fines civiles desde los 60’s. La adquisición de información se obtiene mediante aparatos denominados radiómetros dispuestos en aviones o satélites (p.e.: Landsat). Ciertos gases (CO2, H2O, O3) absorben determinadas longitudes de onda del IR térmico. Las rocas y los suelos poseen relativamente baja conductividad térmica Las rocas de baja inercia térmica (p.e. cenizas volcánicas) ofrecen poca resistencia al cambio de Tª, alcanzando un máximo de Tª superficial al mediodía y un mínimo a media noche. Las rocas de alta inercia térmica (p.e. areniscas) ofrecen resistencia a los cambios de Tª, manteniéndose relativamente fríos por el día y calientes por la noche. Mediante teledetección se pueden determinar la Tª radiante máxima y mínima, a partir de imágenes diurnas y nocturnas grabadas digitalmente. Las masas de agua aparecen siempre más frías que las rocas durante el día y más calientes durante la noche → indica el momento de toma de la imagen. La vegetación aparece más caliente que el suelo de noche y más fría de día (evapotranspiración). En los terrenos húmedos, la evaporación provoca un descenso de Tª relativo. Lo mismo ocurre en fallas y fracturas. En la interpretación deben tenerse en cuenta otros factores como los efectos atmosféricos (nubes, vientos), las diferencias de absorción (materiales oscuros → absorben más luz durante el día) o el relieve topográfico (zonas de sombra → menor Tª) 10
APLICACIONES Todas las detecciones de fenómenos que entrañen una diferencia térmica: ♦ Contaminación: turbiedad, contaminación por vertidos calientes, etc. ♦ Estudio de fisiopatología de plantas ♦ Detección de cambios de humedad superficial (evaporación→signatura fría) ♦ Estudios hidrogeológicos: distribución de zonas nevadas como previsión de recursos,
incursiones de agua dulce en el mar ♦ Vulcanología: detección de puntos calientes, áreas geotérmicas ♦ Detección de rasgos geológicos no aflorantes: por diferencia de transferencia de calor o
vegetación. Importante para prospección minera. ♦ Distinción de litologías y fracturación, etc. ♦ Delimitación de glaciares, películas de aceite o petróleo, plumas térmicas, incendios
forestales, etc.
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5. Imágenes de Radar INTRODUCCIÓN Consisten en la captura de ondas de radio y microondas reflejadas por los objetos sólidos. El radar es un sistema de teledetección activo, en el que se utiliza energía electromagnética para iluminar el terreno y la energía que éste devuelve se detecta y registra como imágenes. La reflexión de ondas de radio comenzó a emplearse en los 20’s en USA y UK para la detección de barcos y aviones. Los 1os aparatos de radar se usaron en la 2ª Guerra Mundial. La capacidad de cartografiar bandas de forma continua se desarrolló en los 50’s para adquirir imágenes de reconocimiento sin sobrevolar regiones hostiles. Conocida la velocidad de propagación de las ondas, en el análisis de la señal recibida se puede “traducir” el tiempo en distancia, obteniéndose zonas de sombra cuando existen obstáculos: ♦ Pendientes inclinadas hacia la antena → signaturas claras de tono brillante (mucha energía es
devuelta a la antena) ♦ Pendientes resguardadas de la antena → signaturas muy oscuras (no hay retorno de energía) ♦ Vegetación → signaturas difusas de tono intermedio (la energía es dispersada en muchas
direcciones) ♦ Superficies horizontales (aguas calmadas, pavimentos...) → signaturas muy oscuras (reflejan
especularmente la energía)... etc. La información recibida se registra en película o cinta magnética que se mueve sincrónicamente con el avión o el satélite. Las imágenes de radar pueden obtenerse a gran distancia con alta resolución, siendo mínimas la absorción y dispersión atmosféricas. Las señal recibida está influida por las propiedades del terreno (orientación, rugosidad, etc.) y las propiedades del sistema de radar. APLICACIONES ♦ No es posible la diferenciación de litologías o estructuras (salvo que vayan asociadas a
cambios de rugosidad) ♦ El mayor interés de estas imágenes reside en la detección de rasgos estructurales como
lineamientos, debido al fuerte resalte del relieve frente a otros rasgos secundarios menores como la vegetación. 12