SISTEMAS DE INFORMACIÓN GEOGRÁFICA Y SENSORAMIENTO REMOTO BERROCAL ROMANI, Nataly COSSIO PAREDES, Gabriela MEJÍA CAMA, Joseph PATANA CALLO, Diego TORRES CCENCHO, Oriana Curso: Topografía II Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Civil
1. SENS SENSOR ORAM AMIE IENT NTO O REMO REMOTO TO 1.1. INTRODUC INTRODUCCIÓN CIÓN El sensoramiento remoto es una técnica que ha ido evolucionando acelerad radamente durante las últimas décadas con la llegada de la tecnología sat satelital, sus orígenes se ubican con el inicio de las actividades aeronáuticas a principio de siglo XX para ir evolucionando con el desarrollo de las actividades espaciales. Hoy en día, las definiciones de tele telede dete tecc cció ión n se util utiliz izan an para para desc descri ribi birr las las acti activi vida dade dess que que real realiz izan an los los satél satélitites es,, tran transb sbor orda dado dore ress espa espaci cial ales es o determinado tipo de aviones. Estas son algunas definiciones que la comunidad científica considera a la palabra teledetección o sensoramiento remoto: • La percepción remota o teledetección o tele-observación (del inglés: remote sensing) es la cien cienci cia a y el arte arte de obt obtener ener info nformac rmació ión n útil útil (esp (espac acia iall, espectral y temporal ral) de un objeto, área o fenómeno a travé travéss del del anál anális isis is e inte interp rpre reta taci ción ón de dato datoss de imág imágen enes es adqu adquiirido ridoss por por un equi equipo po que que no est está en cont contac acto to físi físico co con el objeto, área o fenómeno bajo investigación. • Obtención de imágenes u otro tipo de información acer acerca ca de un objet bjeto, o, util utiliz izan ando do técni écnica cass y medi edicion ciones es hech hechas as a dist distan anci cia, a, adem además ás de proc proces esar ar y anal analiz izar ar los los datos. • El sensoramiento remoto es la colección de info inform rmac ació ión n de un obje objeto to sin sin esta estarr en cont contac acto to físi físico co con con el objeto. Aeroplanos, aviones y satélites son las plataformas más comunes desde donde las observaciones remotas son realizadas. El término perc percep epci ción ón remo remota ta es rest restri rict ctiv ivo o a méto método doss que que empl emplea ean n ener energí gía a elec electr tro omagn magnét étiica com como medi edio de det detecci ección ón y medición de las características de un objeto.
En la siguiente figura veremos el proceso del sensoramiento remoto (pasivo), pues podemos adelantar que el sensoramiento remoto también invo involu lucr cra a la perc percep epci ción ón de ener energí gía a emit emitid ida a por por él mism mismo o (activo).
Fig. 1.1 Proceso del sensoramiento sensoramiento Remoto. ●
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DE
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En el proc proces eso o del del sens sensor oram amie ient nto o remo remoto to se invo involu lucr cra a la interacción entre ondas incidentes y los objetos de interés.
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1.2. ELEMENTOS DE UN SENSORAMIENTO REMOTO
PROCESO
Fuentes de energía o iluminación . Es el primer requerimiento en el sensoramiento rem remoto es disponer de una fuente de energía que que ilum ilumin ine e o prov provea ea ener energí gía a elec electr trom omag agné nétitica ca al objeto de interés. Radi Radiac ació ión n y la atmó atmósf sfer era. a. Ya que la energía “viaja” desde la fuente al objeto, entrara en conta contact cto o e inte intera racc ccio iona nan n con con la atmó atmósf sfer era. a. Esta Esta inte intera racci cción ón tien tiene e luga lugarr una una segu segund nda a vez vez cuan cuando do la energía “viaja” desde el objeto al sensor. Interacción con el objeto. La energía interact ractú úa con el objeto dependiendo de las propiedades de este y de la radiación incidente. Detección de la energía por el sensor. Necesitamos un sensor remoto que recoja y grab grabe e la radi radiac ació ión n elec electr trom omag agné nétitica ca refl reflej ejad ada ao emitida por el objeto o la atmósfera. Transm Transmisió isión, n, recepc recepción ión y proces procesami amient ento. o. La energía grabada por el sensor debe ser
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1.3.1.
transmitida, en forma electrónica, a una estación de recepción y procesamiento donde los datos donde serán convertidos a imágenes digitales. Interpretación y análisis. La imagen procesada es interpretada, visualmente, digitalmente o electrónicamente, con el fin de extraer información acerca del objeto que fue iluminado. Aplicación. El paso final en el proceso del sensoramiento remoto se alcanza en el momento en que aplicamos la información extraída de las imágenes del objeto para un mejor conocimiento del mismo, revelando nuevas informaciones y ayudándonos a resolver un problema en particular.
LA DISPERSIÓN
Ocurre cuando las partículas o las moléculas grandes del gas presentes en la atmósfera interactúan con la radiación electromagnética y hacen que pierdan su trayectoria o se dirijan a su trayectoria original La dispersión depende de varios factores incluyendo la longitud de onda de la radiación, la abundancia de partículas o los gases, y la distancia de la radiación que viaja a través de la atmósfera. Hay tres (3) tipos de dispersión: ● ● ●
Cuando la radiación electromagnética (EMR) interacciona con la materia puede ser reflejada, absorbida o transmitida. En la sección previa, estas interacciones fueron discutidas en referencia a la atmósfera. El sensoramiento remoto, sin embargo, se ocupa primariamente de cómo la EMR es modificada por los medios terrestre. La reflexión de energía desde una superficie, es generalmente descrita como especular o difusa, ocurre cuando la energía que es reflejada por la superficie, continúa viajando en una dirección y el ángulo de reflexión es igual al ángulo de incidencia. Este es el tipo de reflexión que es observada en espejos, en longitudes de onda visibles. En la reflexión difusa, la energía reflejada, en contraste, es rota o emparejada en todas direcciones. En realidad, la mayoría de las superficies no son reflectores ni perfectamente especulares ni perfectamente difusos sino que caen en algún punto entre estos dos extremos. Con fines de sensoramiento remoto, es el contenido espectral de la reflexión difusa el que generalmente provee la mayor parte de la información, cuando menos con respecto a la composición de los materiales de la superficie. La reflexión especular, sin embargo, es útil en los estudios de objetivos terrestres.
La dispersión de Rayleigh La dispersión de Mie La dispersión no selectiva
Figura 1.4 .1.Reflexión especular
1.3.2.
LA ABSORCIÓN
Es el otro mecanismo presente cuando la radiación electromagnética interactúa con la atmósfera. En contraste con la dispersión, este fenómeno causa que las moléculas en la atmósfera absorben la energía de las varias longitudes de onda presentes en la atmósfera.
1.4 INTERACCIONES DEL OBJETIVO
1.5 SENSORES Y PLATAFORMAS 1.5.1 SENSOR Un sensor es un instrumento tecnológico cuya función es captar imágenes a distancia. Los diferentes sensores están diseñados para captar información de las diferentes regiones del espectro electromagnético, cada una de estas regiones se denomina canal o banda.
Generalmente son desarrollados para operar en la banda infrarroja y en la microondas
1.6 SISTEMAS SECUENCIAL
DE
ADQUISICIÓN
1.6.1 SENSORES PASIVOS Sistemas de percepción remota los cuales usan la porción visible del espectro electromagnético. Estos sistemas de teledetección reciben la señal de una fuente de luz o energía externa reflejada por la superficie de los cuerpos. Estos sensores están incluidos sobre la mayoría de los satélites que manejan las bandas del espectro visible. No emiten ningún tipo de energía, se limitan a detectar la radiación electromagnética reflejada o emitida de fuentes naturales de energía, en este caso la del Sol. Ejemplos de este tipo de son los sensores de los programas LANDSAT, SPOT, CBERS, IKONOS y Quickbird.
Figura 1.6.1.1 Diagrama de un explorador de barrido. Las ventajas más claras de los equipos de barrido multiespectral, en relación con los sensores fotográficos, pueden sintetizarse en los siguientes puntos: ● ● ●
Fig. 1.6.1 Componentes de una señal pasiva de microondas.
1.6.1.1 EXPLORADORES DE BARRIDO Se han diseñado otro tipo de sensores, denominados genéricamente óptico electrónicos, ya que combinan una óptica más o menos similar a la fotografía, con un sistema de detección electrónica, que evita la dependencia de una superficie sólida. Entre estos sensores, los más habituales en teledetección espacial 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 de 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. La información recibida por éstas se graba en cintas compatibles con ordenador (CCT), para su posterior proceso.
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Permiten ampliar la banda del espectro detectada a longitudes de onda 0.4 a 0.9μm, incluyendo el infrarrojo medio y el térmico. Mayor facilidad en la calibración y en la corrección radiométrica de los datos. Posibilidad de realizar coberturas sistemáticas, y de grandes espacios, gracias a su capacidad de transmitir datos en tiempo real. Grabación digital de la información, que asegura su fiabilidad y permite su tratamiento asistido por ordenador.
1.6.1.2. EXPLORADORES DE EMPUJE En los últimos años se ha puesto a punto una nueva tecnología de exploración, denominada por empuje (pushbroom). En estos equipos se elimina el espejo oscilante, gracias a disponer de una cadena de detectores que cubre todo el campo de visión del sensor .
Los ecosondas y los sonares son sensores remotos activos que están basados en el principio de dirigir las ondas acústicas hacia un objetivo y recibir el eco reflejado. El ecosonda envía un rayo vertical y fijo de sonido mientras que el rayo del sonar puede ser orientado. Los principales componentes de un ecosonda y un sonar son: el transmisor, el transductor, el recibidor y la unidad de despliegue. · ·
Figura 1.6.1.2. Diagrama de un explorador de empuje. ·
1.6.1.3. TUBOS DE VIDICÓN Los tubos de vidicón son otros de los sistemas pasivos de mayor uso en estudios observación terrestre es la cámara de vidicón. Se trata de un sistema análogo a la cámara de televisión, que puede trabajar en forma pancromática o multibanda.
1.6.1.4. RADIÓMETROS DE MICROONDAS Los radiómetros de microondas son sensores que operan en el rango del espectro correspondiente a longitudes de onda largas, normalmente entre 1 y 100 mm. Por ello, no está afectado por la situación atmosférica ni por las condiciones de iluminación. · RADIÓMETROS BARREDORES : Sensores que capturan los datos a través del uso de un espejo rotativo para “barrer” la vista perpendicular a la línea de vuelo. El movimiento hacia adelante del satélite produce líneas subsecuentes de datos. · RADIÓMETROS DE BARRIDO ACCIONADO: Este sensor posee varios detectores con una línea de adquisición que puede ser vista instantáneamente sin ningún movimiento mecánico lo cual es una mejora significativa respecto a los radiómetros de barrido.
1.6.2. SENSORES ACTIVOS Los sensores activos son capaces de iluminar un objetivo con su propia fuente de radiación. La iluminación va a inducir a un objeto a emitir radiación o causar que refleje la radiación producida por el sensor. Los sensores activos son utilizados frecuentemente cuando la radiación natural en una banda particular del espectro no es suficiente para iluminar adecuadamente al objetivo,
1.6.2.1.
ECOSONDAS Y SONARES
Transmisor : La función del transmisor es producir energía en forma de pulsos de oscilaciones eléctricas. Transductor: En este se encuentra la energía eléctrica que es convertida a energía de sonido en el agua y, contrariamente, las ondas de sonido de los ecos que regresan son convertidas de nuevo a energía eléctrica. El Recibidor: Amplifica las oscilaciones eléctricas débiles producidas en el transductor por el eco, de tal forma que pueden ser grabados en papel desplegados en un CRT (Tubo de Rayos Catódicos) o transmitido como una señal escuchable.
1.6.2.2. RADARES El radar (Radio Detection And Ranging) es un sistema activo que emite un haz energético de microondas y registra la energía reflejada luego de interactuar con la superficie u objetos. Los radares también son denominados radiómetro activo de microondas y trabajan en banda comprendida entre 0.1cm y 1m del espectro electromagnético. Este proceso requiere transmitir pequeños pulsos de energía de microondas en la dirección de interés y grabar la fuerza y el origen de las reflexiones recibidas desde objetos dentro del campo de visión del sistema. El poder de resolución del radar, está determinado por la longitud de onda transmitida por el radar. La transparencia de la atmósfera para las microondas le permite al radar adquirir datos independientemente de las condiciones del tiempo. Las microondas penetran nubes y no son dispersadas por neblina o lluvia. Los radares pueden ser instalados sobre aviones (aéreo transportados) o sobre plataformas espaciales (satélites), éstos poseen una antena que transmite y/o recibe señales generando imágenes a alta resolución, donde pueden observarse características físicas de la superficie de la tierra.
1.6.2.3. ALTÍMETROS LÁSER Esta técnica se conoce también con los nombre ingleses láser-scanning o LIDAR (de Laser Image Detection And Ranging). El altímetro láser permite medir un gran número de puntos sobre el terreno, a partir de los cuales, se puede
confeccionar un modelo digital del terreno muy preciso y en muy poco tiempo. Al ser el rendimiento tan alto, estos modelos pueden resultar muy económicos. El tiempo que se tarda desde que se vuela hasta la generación del modelo es menor que en el caso de los modelos generados mediante fotogrametría aérea. El principio de funcionamiento del altímetro es el siguiente: un rayo láser emite pulsaciones y se calcula el tiempo que tarda la señal en llegar al suelo y volver al sensor. De esta manera se mide la distancia del sensor a un punto del suelo. El rayo se desvía perpendicularmente en la trayectoria del avión con un espejo rotatorio y barre el terreno a medida que el avión avanza. La posición del avión se mide con GPS diferencial con una estación en el suelo y, los ángulos de orientación, se determinan con un sistema inercial de navegación. Con toda esta información se pueden calcular las coordenadas de los puntos del suelo. Los modelos del terreno que se pueden obtener con esta técnica son extremadamente precisos. Cuando el rayo láser llega al terreno se comporta de forma diferente dependiendo de las características de los objetos que se encuentre:
Los barcos, boyas, submarinos y otros sumergibles han estado en uso como plataformas para el sensoramiento remoto por cincuenta años, fundamentalmente en conjunto con ecosondas y sonares. Ahora, sin embargo, el sonar con sistema de audio se está volviendo popular y es un método rápido y efectivo de transmitir información. Ahora, sin embargo, el sonar con sistema de audio se está volviendo popular y es un método rápido y efectivo de transmitir información.
1.7.2. GLOBOS Los globos flotantes o anclados fueron los precursores de la observación de la superficie terrestre en planos superiores, estos han sido utilizados de manera limitada para la fotografía aérea de cuerpos de agua tales como bahías y lagos para seguir o trazar la circulación del agua, la sedimentación, etc. Los globos son de uso limitado para el sensoramiento remoto de superficies bastas de la tierra debido a su inestabilidad y su baja velocidad, Actualmente se utilizan en proyectos de investigación y meteorología.
1.7.3. AVIONES Los aviones han sido utilizados extensivamente como plataformas para el sensoramiento remoto para la extracción de datos de determinadas áreas, estudios en la tierra. Este es uno de los métodos más eficientes de sensoramiento remoto de la superficie de la tierra a grandes escalas.
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VENTAJA DE LOS AVIONES
· Optimizan la adquisición de datos al proveerle el operador acceso a la instrumentación del sensoramiento remoto. · Permiten un amplio rango de parámetros de adquisición. · Puede realizarse misiones de sensoramiento remoto sobre un área particular en un momento específico y puede ser repetido bajo condiciones controladas.
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1.7. PLATAFORMAS DE SENSORES REMOTOS Se entiende por plataforma los satélites o aviones que transportan los aparatos necesarios para captar, almacenar y transmitir imágenes a distancia (sensores). Los sensores terrestres son de uso frecuente para registrar la información detallada sobre la superficie cuál se compara con la información recogida de los sensores que se encuentran en los satélites. Algunas plataformas de sensores remotos son:
1.7.1. BARCOS
DESVENTAJA DE LOS AVIONES
· Son la inestabilidad de la plataforma · La cobertura geográfica limitada (debido a la relativamente baja altitud del avión), · El alto costo y la dependencia de las condiciones ambientales.
1.8. RESOLUCIÓN Los sistemas de percepción remota difieren en la resolución, es decir, el nivel de detalle con que pueden capturar las imágenes, su frecuencia temporal, “finura espectral”, etc.. Desde este punto de vista podemos considerar cuatro diferentes tipos de resolución: espacial, espectral, radiométrica y temporal.
Para fines de nuestro curso de TOPOGRAFÏA II, nos centraremos en dos tipos de resoluciones, la espacial y la temporal.
1.8.1.
RESOLUCIÓN ESPACIAL .
La resolución espacial se refiere a la finura de detalles visibles en una imagen: cuanto menor es el área terrestre representada por cada píxel en una imagen digital mayores son los detalles que pueden ser captados y mayor es la resolución espacial.
la de los satélites anteriormente mencionados. De todos modos, su elevada resolución temporal, los hace sumamente útiles en monitoreos ambientales o agrometeorológicos sobre áreas muy extensas. Estas características son compartidas con el instrumento MODIS a bordo de los satélites TERRA y ACQUA sobre áreas muy extensas. Estas características son compartidas con el instrumento MODIS a bordo de los satélites TERRA y ACQUA.
Existen diferentes factores que influyen en la resolución espacial: además de los obviamente asociados al sensor, como ser el poder resolutivo del sistema óptico, debemos considerar las influencias atmosféricas, presencia de humo, neblina, bajos niveles de iluminación, etc.
1.9. SATÉLITE TERRA - AQUA
1.8.2.
RESOLUCIÓN TEMPORAL
La Resolución Temporal es una medida de la frecuencia con la que un satélite es capaz de obtener imágenes de una determinada área. También se denomina intervalo de revisita. Altas resoluciones temporales son importantes en el monitoreo de eventos que cambian en períodos relativamente cortos, como inundaciones, incendios, calidad del agua en el caso de contaminaciones, desarrollo de cosechas, etc. Asimismo, en áreas con cubiertas nubosas casi constantes como por ejemplo las selvas tropicales, períodos cortos de visita, es decir altas resoluciones temporales, aumentan la probabilidad de obtener imágenes satisfactorias. Otros satélites, como SPOT, IKONOS y QUICKBIRD poseen sensores que pueden orientarse según diferentes ángulos, con lo cual pueden registrar imágenes no sólo en el nadir sino también a través de enfoques laterales, frontales o traseros. Esto permite lograr períodos de revisita mucho más cortos, incluso de dos o tres días. Otro ejemplo de satélites con alta resolución temporal lo constituyen los de la serie NOAA con sus sensores AVHRR. Estos poseen un tiempo de revisita de 12 horas, lo cual permite una cobertura diaria global diurna y nocturna. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que la resolución espacial de éstos es de 1 km, es decir mucho menor que
El satélite TERRA (EOS AM-1) forma parte de una misión que incluye a los Estados Unidos, Canadá y Japón. Es concebido como un 'buque insignia' con capacidad para registrar los cambios climáticos de la atmósfera con la precisión adecuada como para permitir un pronóstico a corto plazo. Gira alrededor de la Tierra a 705 km, de manera sincronizada con el Sol, y va del polo norte al polo sur. Su órbita tiene una duración de 98.1 minutos y pasa por el ecuador a las 10:30 A.M. El tamaño de este satélite es de 3.5 x 6.8 metros y su peso es de 5200 kg. Tiene una potencia de 2530 watt (promedio) y la velocidad de datos de los instrumentos es de 18,545 kilobytes por segundo (promedio). Su vida útil se estima en 6 años y dado que se concibió como un centro de investigaciones, lleva a bordo cinco instrumentos: ASTER, CERES, MODIS, MISR, MOPITT. En la misión del satélite AQUA (EOS PM-1), los Estados Unidos proporcionaron la nave espacial y cuatro de los seis instrumentos científicos que lleva a bordo; Japón proporcionó un radiómetro avanzado para la exploración de microondas y Brasil un sondeo de humedad para su país. AQUA fue el primer miembro de un grupo de satélites de la constelación vespertina, integrada además por Aura y PARASOL. Su misión científica de seis años tiene como fin primordial estudiar el ciclo global del agua en la atmósfera, tierra y océanos. Orbita de sur a norte en el nodo ascendente y cruza por el ecuador a las 1:30 P.M. El aparato, de casi tres toneladas de peso y 4.8 metros de envergadura se ubica en el espacio a 705 kilómetros de la tierra. La duración de su órbita es de 99 minutos. Transporta seis instrumentos de gran precisión destinados a estudiar el espectro visible y el infrarrojo para determinar las propiedades de las nubes, la temperatura superficial del mar, el color del océano, medir humedad y evaporación,
el volumen de las masas de agua, grosor de las capas de hielo y de nieve, así como otros parámetros que influyen en la climatología (nivel de radiación de la tierra y los gases de la atmósfera como el ozono, el monóxido de carbono y el metano). Entre ambos satélites, AQUA y TERRA, cubren toda la superficie terrestre. Algunas de las cosas que nos permite estos satélites son: ● ● ● ● ● ● ● ●
Estudio de las propiedades físicas de las nubes Monitoreo de la atmósfera Monitoreo de la tierra Monitoreo del océano Cambios meteorológicos y biológicos Detectar energía termal del fuego Monitoreo de cultivos Monitoreo de desastres naturales
1.10 PROGRAMAS DE TELEDECCIÓN 1.10.1 SISTEMA TERRESTRE
DE
El programa Landsat es actualmente administrado por la NASA y por el NOAA. El éxito de este programa se debe a factores como la combinación de sensores con bandas espectrales destinadas a la observación de la tierra, resolución espacial funcional y su gran cobertura en órbitas casi polares sincronizadas con el sol. Los primeros tres satélites de la generación ERTS tenía a bordo dos sensores remotos, una cámara RBV para obtener imágenes terrestres del Visible (VIS) y del infrarrojo Cercano (NIR) con sus respectivos ajustes en cada cámara nueva y un MSS (Scanner Multiespectral) logrando imágenes radiométricas de la tierra a una altura de 900 km.
ESPECIALES OBSERVACIÓN
El Sistema de Observación Terrestre (EOS) es la pieza central de la empresa sobre Ciencias de la Tierra de la Nasa (ESE) compuesta por una serie de satélites, componentes de la ciencia y de un sistema de datos que apoya una serie coordinada de satélites de órbita polar y baja inclinación para observaciones globales a largo plazo de la superficie de la tierra, de la biosfera, atmósfera y de los océanos permitiendo una mejor comprensión del planeta como un sistema integral.
La Oficina de Proyectos Científicos del EOS (EOSPSO) es la encargada de obtener la información y los recursos del programa para propósitos científicos y al público en general.
Figura 1.10.2 Landsat 1 Fuente:https://airandspace.si.edu/sites/default/files/imag es/collection-objects/record-images/NASM-NASM-7B193 64.jpg
Figura 1.10.1 Esquema de Satélites de Órbita Polar y Geoestacionarios. Fuente:http://www.servir.net/images/imageviewer/PDF/ta llerSERVIR_CA_2011/pdf/SERVIR_Introduccion_Telede teccion_.pdf
Sin embargo en los años siguientes se fue evolucionando los exploradores multiespectrales, hasta el Acta de 1972 en el cual se da registro que la observación global comenzada en 1972 continúa bajo la implementación de Sensores Remotos Terrestres. Estos van capturando imágenes de alta resolución de la superficie terrestre para el monitoreo ambiental. desastres, uso del suelo y planeación regional, cartografía y exploración mineral y petrolera. Landsat 7 tiene el mapeador temático más mejorado con una resolución espacial más avanzada construida por Lockheed Martin Missiles and Space.
1.10.2 ERST- LANDSAT
1.10.3 ORBVIEW
La serie de satélites Orbview fueron diseñados para proveer imágenes de alta resolución de la superficie terrestre para ORBIMAGE (Orbiting Image Corporation), propiedad de Orbital Science, y para el interés de civiles, gobiernos y militares. El satélite Orbview 1 cuyo nombre original era MicroLab fue lanzado en 1995 proporcionando imágenes atmosféricas; Orbview 2 o Seastar lanzado en 1997 obtenía datos de la tierra y el océano.
Figura 1.10.4 Imágenes espectrales obtenidas por Orbview 3 Fuente:https://i1.wp.com/geoinn.com/wp-content/uploads /2010/06/orbview_midway_big.jpg Las fuerzas militares de EEUU se interesaron en esta técnica porque sería utilizada en la detección de armas químicas y biológicas además de brindar información a los comandantes sobre daños causados al enemigo así como soldados y vehículos de combate bajo el camuflaje de la vegetación, pero Orbview 4 fue perdido minutos después del despegue debido a una falla en el cohete propulsor que lo hizo estallar en 2001.
Figura 1.10.3 Orbview 2 Fuente:https://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/1/1d/Eu rope_orbview2_crop.jpg Orbview 4 tenía a bordo una cámara capaz de captar imágenes de 1m de resolución en blanco y negro y de 4 m de resolución en color orbitando a 470 km, además llevaba un instrumento para la obtención de imágenes hiperespectrales del Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea del programa Warfighter-1 con el propósito de ser el primer satélite comercial en generar este tipo de información.
Fig. 1.10.5 Orbview 4 minutos antes de ser lanzado en órbita. Fuente:https://spaceflightnow.com/taurus/t6/images/orbvi ew4.jpg
1.11 PERÚ: CUANTIFICACIÓN DE LA COBERTURA DE BOSQUE Y CAMBIO DE BOSQUE A NO BOSQUE DE LA AMAZONÍA PERUANA (2009-2010-2011) El fundamento para analizar las imágenes de sensores remotos con fines de determinar cobertura boscosa y los cambios en la cobertura que pueden reflejar procesos de deforestación o cambios por procesos naturales, se basa en el Análisis de Mezcla Espectral (SMA). El SMA es un medio para extraer desde los datos de reflectancia de una imagen, información que modela la cobertura de la tierra a nivel de píxel que sea representativo de las propiedades físicas de la superficie
de la tierra en fracciones de tipos puros de cobertura denominado endmembers que quedan definidos por las longitudes de ondas detectadas y el número de bandas del sensor. Algunos estudios demuestran (Small 2004) que la mayoría de las variaciones en imágenes LANDSAT (mayor al 98%) se pueden representar como una combinación de 03 miembros más puros (endmembers); de esta manera se puede representar 03 medidas o fracciones (análisis de coberturas fraccionales) que puedan caracterizar estas variaciones espectrales a nivel de 01 píxel en una imagen satelital.
Fuente:http://www.minam.gob.pe/ordenamientoterritorial/ wp-content/uploads/sites/18/2013/10/Memoria-TecnicaCobertura-de-Bosque-y-no-Bosque-2009-2010-2011.pdf El proceso de selección aleatorio de VF, VNF y S de cada biblioteca es repetido muchas veces en cada pixel, solucionando así la ecuación. Tanto la media y la desviación estándar de cada iteración es registrado como la respuesta para cada pixel.
El análisis de cobertura fraccional es un proceso realizado por CLASlite 3.0, a través de la aplicación del algoritmo de mezcla conocido como AutoMCU (Montecarlo) desarrollado por CARNEGIE, que es un análisis de mezcla espectral basado en un enfoque probabilístico de las características del dosel del bosque. El Sistema de procesamiento de imágenes para el análisis de cobertura de bosque, deforestación y degradación forestal se basa en 02 componentes: ● ●
Las Bibliotecas espectrales El algoritmo de mezcla espectral Montecarlo o AUTOMCU; ambos se encuentran comprendidos en la herramienta Claslite 3.0, que es el Software desarrollado para estos propósitos.
Claslite tiene 03 bibliotecas de firmas espectrales para VF (vegetación Fotosintética), VNF (Vegetación No Fotosintética) y S (Suelo). La biblioteca de VF fue desarrollada usando imágenes colectadas por el sensor hiperespectral llamado Hyperion, las bibliotecas de VNF y S fueron colectadas desde 1996 usando espectrómetros de campo que miden la reflectancia de la superficie en bandas cada 2 nanómetros desde los 400-2500 nm.
Fig. 1.11.2 Cálculo de la Desviación Estándar y el Error Medio Cuadrático del análisis de mezcla espectral. Fuente:http://www.minam.gob.pe/ordenamientoterritorial/ wp-content/uploads/sites/18/2013/10/Memoria-TecnicaCobertura-de-Bosque-y-no-Bosque-2009-2010-2011.pdf El análisis de cambio de cobertura de bosque a no bosque por deforestación se aplicó sobre una superficie de 78’469,220 hectáreas que corresponde al ámbito de la Amazonía Peruana, cubierto por 42 escenas de imágenes del satélite LANDSAT y 02 escenas de MODIS TERRA para cada uno de los años 2000, 2005, 2009, 2010 y 2011. En términos generales el método aplicado comprende los siguientes pasos: 1. 2.
Teniendo en consideración estos componentes, el enfoque de análisis de mezcla espectral Monte Carlo, selecciona aleatoriamente espectros de la biblioteca de VF, VNF y S y los compara con el registro espectral proveniente del pixel de la imagen satelital para resolver la ecuación de combinación espectral.
Revisión y selección de imágenes LANDSAT 5 y LANDSAT 7 con corrección L1T. Corrección radiométrica y atmosférica de imágenes seleccionadas.
Fig. 1.11.3 Mosaico ortorectificado: Corrección radiométrica. Fuente:http://www.minam.gob.pe/ordenamientoterritorial/ wp-content/uploads/sites/18/2013/10/Memoria-TecnicaCobertura-de-Bosque-y-no-Bosque-2009-2010-2011.pdf Fig. 1.11.1 Análisis de Mezcla espectral en el píxel de una imagen para representar cuantitativamente la actividad fotosintética. no fotosintética y de suelo.
3.
Análisis compuesto por pixeles para la generación de mosaicos de imágenes de
reflectancia y de cobertura fraccional libre de Nubes y Sombras.
2 SISTEMAS GEOGRÁFICA 2.1
Fig. 1.11.4 Cobertura Fraccional libre de combras y nubes (2009-2010-2011) Fuente:http://www.minam.gob.pe/ordenamientoterritorial/ wp-content/uploads/sites/18/2013/10/Memoria-TecnicaCobertura-de-Bosque-y-no-Bosque-2009-2010-2011.pdf 4. 5.
Aplicación de criterios para definición de Cobertura de Bosque- No Bosque. Aplicación de criterios para definición de cambio: Deforestación y Degradación.
Fig. 1.11.5 Área de análisis: Amazonía peruana. Fuente:http://www.minam.gob.pe/ordenamientoterritorial/ wp-content/uploads/sites/18/2013/10/Memoria-TecnicaCobertura-de-Bosque-y-no-Bosque-2009-2010-2011.pdf
DE
INFORMACIÓN
BREVE HISTORIA
La primera experiencia relevante en esta dirección la encontramos en 1959, cuando Waldo Tobler define los principios de un sistema denominado MIMO (map in--map out) con la finalidad de aplicar los ordenadores al campo de la cartografía. En él, establece los principios básicos para la creación de datos geográficos, su codificación, análisis y representación dentro de un sistema informatizado. Estos son los elementos principales del software que integra un SIG, y que habrán de aparecer en todas las aplicaciones desarrolladas desde ese momento. El primer Sistema de Información Geográfica formalmente desarrollado aparece en Canadá, al auspicio del Departamento Federal de Energía y Recursos. Este sistema, denominado CGIS (Canadian Geographical Information Systems), fue desarrollado a principios de los 60 por Roger Tomlinson, quien dio forma a una herramienta que tenía por objeto el manejo de los datos del inventario geográfico canadiense y su análisis para la gestión del territorio rural. El desarrollo de Tomlinson es pionero en este campo, y se considera oficialmente como el nacimiento del SIG. Es en este momento cuando se acuña el término, y Tomlinson es conocido popularmente desde entonces como «el padre del SIG».
FIg.2.1.Roger Tomlinson. «El padre del SIG». La aparición de estos programas no solo implica la creación de una herramienta nueva, sino también el desarrollo de técnicas nuevas que hasta entonces no habían sido necesarias. La más importante de ellas es la codificación y almacenamiento de la información geográfica, un problema en absoluto trivial que entonces era clave para lograr una usabilidad adecuada del software. El trabajo de Guy Morton con el desarrollo de su Matriz de Morton juega un papel primordial, superando las deficiencias de los equipos de entonces, tales como la carencia de unidades de almacenamiento con capacidad de acceso aleatorio, que dificultaban notablemente el manejo y análisis de las bases de datos. Simultáneamente a los trabajos canadienses, se producen desarrollos en Estados Unidos, en el seno del Harvard Laboratory, y en el Reino Unido dentro de la
Experimental Cartography Unit. Ambos centros se erigen también como principales desarrolladores de software para la producción, manejo y análisis de información geográfica durante aquellos años. En el Harvard Laboratory, ve la luz en 1964 SYMAP, un aplicación que permitía la entrada de información en forma de puntos, líneas y áreas, lo cual se corresponde a grandes rasgos con el enfoque que conocemos hoy en día como vectorial . En la imagen puede verse que los resultados cartográficos de este software son aún de poca calidad.
Fig.2.3.Representación tridimensional creada con SYMVU
Si la década de los sesenta es la de los pioneros y las primeras implementaciones, la de los setenta es la de la investigación y el desarrollo. A partir de los SIG primitivos se va dando forma a un área de conocimiento sin duda con gran futuro, y se elabora una base sólida de conocimiento y de herramientas aptas para un uso más genérico. Sin haber entrado aún en la época del uso masivo y generalizado, los primeros paquetes comienzan a distribuirse y pasan a incorporarse a la comunidad cartográfica, lejos ya de ser el producto de unos pocos pioneros.
Fig.2.2. Aspecto de un mapa generado con SYMAP No obstante, el interés que despertaron las novedosas capacidades del programa para la generación de cartografía impulsó el desarrollo posterior y la evolución hacia sistemas más avanzados. En 1969, utilizando elementos de una versión anterior de SYMAP, David Sinton, también en el Harvard Laboratory, desarrolla GRID, un programa en el que la información es almacenada en forma de cuadrículas. Hasta ese momento, la estructura de cuadrículas regulares era solo utilizada para las salidas de los programas, pero no para la entrada y almacenamiento de datos. Son los inicios de los Sistemas de Información Geográfica ráster . SYMAP evoluciona y nuevos programas aparecen, tales como SYMVU, con capacidad de representación tridimensional, o CALFORM, con nuevas capacidades de representación y de generación de resultados impresos. GRID da lugar a IMGRID (Interactive Manipulation GRID), que sentará la base para el trabajo de Dana Tomlin con su paquete MAP, el cual incluye todos los elementos que hoy en día son imprescindibles para el análisis ráster.
Fig.2.4.Esquema temporal de la evolución de los SIG.
2.2
DEFINICIÓN
Un sistema de información geográfica (GIS) es un marco para recopilar, gestionar y analizar datos. Enraizado en la ciencia de la geografía, GIS integra muchos tipos de datos. Analiza la ubicación espacial y organiza capas de información en visualizaciones utilizando mapas y escenas en 3D. Con esta capacidad única, SIG revela conocimientos más profundos sobre los datos, como patrones, relaciones y situaciones, lo que ayuda a los usuarios a tomar decisiones más inteligentes.[2]
2.3 FUNCIONES DEL SIG
Las principales cuestiones que puede resolver un Sistema de Información Geográfica, ordenadas de menor a mayor complejidad, son: 1.
Localización: preguntar por las características de un lugar concreto. 2. Condición: el cumplimiento o no de unas condiciones impuestas al sistema. 3. Tendencia: comparación entre situaciones temporales o espaciales distintas de alguna característica. 4. Rutas: cálculo de rutas óptimas entre dos o más puntos. 5. Pautas: detección de pautas espaciales. Modelos: generación de modelos a partir 6. de fenómenos o actuaciones simuladas.
2.4 FUNCIONES DEL SIG La mayoría de los elementos que existen en la naturaleza pueden ser representados mediante formas geométricas (puntos, líneas o polígonos, esto es, vectores) o mediante celdillas con información (raster). Son formas de ilustrar el espacio intuitivas y versátiles, que ayudan a comprender mejor los elementos objeto de estudio según su naturaleza. En función de la forma de representar el espacio de la que hacen uso podemos clasificar los SIGs en dos grandes modelos o formatos:
Modelo raster y modelo vectorial.
La elección de un modelo u otro dependerá de si las propiedades topológicas son importantes para el análisis. Sí es así, el modelo de datos vectorial es la mejor opción, pero su estructura de datos, aunque muy precisa, es mucho más compleja y esto puede ralentizar el proceso. Por ello, si el análisis que nos interesa no requiere acudir a las propiedades topológicas, es mucho más rápido, sencillo y eficaz el uso del formato raster. También es más fácil decantarse por una estructura de datos vectorial cuando hay que reflejar más de un atributo en un mismo espacio. Usar un formato raster
nos obligaría a crear una capa distinta para cada atributo.
2.5 ELEMENTOS BÁSICOS DEL GIS 2.5.1 PERSONAL ● ● ● ● ● ●
Son la parte más importante de un SIG. Definir y desarrollar los procedimientos utilizados por un SIG. Puede superar la deficiencia de los otros 4 elementos (datos, software, hardware, procedimiento), pero no al revés. Recolección de datos reales del suelo Almacenamiento, procesamiento y análisis de datos.
2.5.3 GIS SOFTWARE Un Sistema de Información Geográfica (Software GIS) está diseñado para almacenar, recuperar, administrar, mostrar y analizar todo tipo de datos geográficos y espaciales. El software SIG le permite producir mapas y otras visualizaciones gráficas de información geográfica para análisis y presentación.
2.5.4 HARDWARE Conjunto de elementos físicos o materiales que constituyen una computadora o un sistema informático.
2.5.2 DATOS ● ● ●
Los datos son la información utilizada dentro de un SIG. Dado que un SIG a menudo incorpora datos de múltiples fuentes, su precisión define la calidad del SIG. La calidad SIG determina los tipos de preguntas y problemas que se pueden plantear al SIG.
2.6 PROGRAMAS 2.6.1 ArcGIS
.
ArcGIS es un software no libre desarrollado por la empresa Esri. Las dos aplicaciones de escritorio principales para profesionales de SIG son ArcMap y ArcGIS Pro, formando ambas parte de ArcGIS for Desktop. Cada aplicación cuenta con funciones únicas que se ajustan a sus necesidades. Se pueden crear desde sencillos mapas web a modelos analíticos complejos.
2.6.2 QGIS QGIS es un software de código abierto licenciado bajo GNU – General Public License. QGIS es un proyecto oficial de la Open Source Geospatial Foundation (OSGeo). Está disponible para Linux, Unix,
Mac OSX, Windows y Android y soporta numerosos formatos y funcionalidades de datos vectorial, raster y bases de datos
2.6.3 gvSIG gvSIG es fácil de usar, interoperable y utilizado por miles de usuarios en todo el mundo. gvSIG Desktop trabaja con diversidad de formatos, vectoriales y raster, ficheros, bases de datos y servicios remotos, teniendo a disposición todo tipo de herramientas para analizar y gestionar la información geográfica. gvSIG Desktop es software libre, con licencia GNU/GPL, lo que permite su libre uso, distribución, estudio y mejora.
2.6.4 GRASS GIS GRASS GIS, más comúnmente conocido como GRASS, es un software SIG gratuito y libre (código abierto) utilizado para la gestión y análisis de datos geoespaciales, procesamiento de imágenes, producción de gráficos y mapas, modelización espacial y visualización. GRASS GIS se utiliza actualmente en entornos académicos y comerciales en todo el mundo, así como por muchas agencias gubernamentales y empresas de consultoría ambiental.
2.6.5 SAGA GIS SAGA es la abreviatura para System for Automated Geoscientific Analyses, un SIG de código abierto y e.
2.6.6 PostGIS PostGIS es la extensión espacial para PostgreSQL que permite el almacenamiento de datos geográficos. Añade funcionalidades a los objetos espaciales que permite realizar consultas SQL.
Los gerentes militares de I&E pueden administrar toda la información de sus instalaciones utilizando tecnología del GIS
●
TOPOGRAFÍA
Los topógrafos dependen de una variedad de software y tecnología para sus flujos de trabajos diarios. La tecnología GIS se integra con otros sistemas al tiempo que proporciona nuevas funcionalidades y una base de datos GIS central de bases que brinda a los topógrafos una mejor manera de administrar , reutilizar, compartir y analizar los datos de medición fácilmente, ahorrando tiempo, dinero y recursos.
2.7 APLICACIONES DEL GIS 2.7.1 DEFENSA E INTELIGENCIA ●
INSTALACIONES Y ENTORNO
Los encargados del entorno de las instalaciones militares (I&E) usan GIS para gestionar una compleja gama de recursos, activos, instalaciones ,terrenos y servicios similares a los de una ciudad de tamaño mediano. Con GIS, pueden crear aplicaciones interoperables, abiertas y de toda la empresa para administrar las instalaciones, los servicios públicos,el medio ambiente,la seguridad,los recursos culturales y otra infraestructura de instalacion de defensa. GIS admite muchos componentes del dominio I&E: ● Operaciones de emergencia ● Obras públicas ● Gestión de instalaciones ● Fuerza de protección y seguridad ● Gestión ambiental
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PLANIFICACIÓN URBANA Y REGIONAL
No importa cuán grande o pequeña sea una comunidad, los planificadores deben tratar con la información espacial: paquetes, zonificación y datos de uso de la tierra; direcciones; redes de transporte y viviendas. Los planificadores también estudian y realizan un seguimiento de múltiples indicadores y regionales, pronostican las futuras necesidades de la comunidad y planifican en consecuencia para garantizar una mayor calidad de vida para todos en comunidades habitables.
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Los planificadores del municipio de Langley, Columbia Británica, Canadá, utilizaron el modelado 3D para visualizar el impacto de los nuevos edificios en el paisaje.
Las agencias de planificación federales,regionales, estatales, del condado y locales se han dado cuenta del poder del SIG empresarial para identificar problemas, responder a ellas de manera eficiente y compartir los resultados con el público. La tecnología GIS proporciona herramientas para ayudar a los planificadores a alcanzar su misión de agencia mientras hacen mas y gastan menos. Espacios verdes, caminos bien planificados, recreación y viviendas asequibles: estas características atraen a las personas a una comunidad. Los planificadores, los desarrolladores económicos y los diseñadores urbanos dependen de los mapas inteligentes y del análisis espacial en el software ArcGIS de Esri para encontrar las mejores formas de brindar lo que la gente quiere: una alta calidad de vida y un crecimiento sostenible. Los ayuntamientos generan importante información (casi en su totalidad ) con referencia a su población (padrón), el territorio ( licencias de obras, planeamiento urbanístico infraestructura viaria, redes de alumbrado), etc. Por lo que para manejar una cantidad enorme de datos se requiere de un Sistema de Información que se encargue de almacenar, actualizar y explotar en conjunto todos estos datos. Ahora, si una parte importante de dichos datos contiene información de localización, se necesitará gestionarlos con un Sistema de Información Geográfica (SIG). Los SIG pueden aportar por su capacidad de análisis y manejo de datos: ● Un conocimiento arduo de la ciudad y su funcionamiento. ● Información valiosa en la planificación y gestión de los procesos en la transformación urbana.
3. REFERENCIAS ●
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http://tesis.pucp.edu.pe/repositorio/bitstream/ha ndle/123456789/5896/GUARDAMINO_SOTO_ LUCIA_ALTA_MONTANA.pdf?sequence=3&isA llowed=y http://www.javeriana.edu.co/biblos/tesis/ingenie ria/tesis123.pdf
http://www.servir.net/images/imageviewer/PDF/t allerSERVIR_CA_2011/pdf/SERVIR_Introducci on_Teledeteccion_.pdf http://www.minam.gob.pe/ordenamientoterritori al/wp-content/uploads/sites/18/2013/10/Memori a-Tecnica-Cobertura-de-Bosque-y-no-Bosque-2 009-2010-2011.pdf https://www.esri.com/en-us/arcgis/products/geo planner-for-arcgis/overview
