1. Principios básicos de la teledetección
Objetivos de la unidad
- Aproximar a las y los estudiantes a los principios básicos de la teledetección.
- Posibilitar un primer contacto con el proceso de teledetección, sus dinámicas, componentes principales y elementos.
- Iniciar a las y los estudiantes en el manejo de la imagen satelital a través de plataformas en línea.
1.1. Concepto de teledetección
Podemos definir la teledetección como un compendio de ciencias y tecnologías que se han desarrollado durante los dos últimos siglos y que han originado un conjunto de conocimientos multidisciplinares basados en la física, las matemáticas y la geografía, y cuyo desarrollo exponencial durante las últimas décadas se ha debido a los avances tecnológicos en telecomunicación y computación. Se la podría definir, de forma simplificada, como la ciencia capaz de obtener información sin contacto directo entre el “captador” y el “objetivo” (Martínez Vega y Martín Isabel, 2010) (imagen 1). Este conjunto de conocimientos se ocupa de la observación, el análisis y la interpretación de fenómenos terrestres y atmosféricos con el objetivo de ampliar la comprensión del medio que nos rodea, facilitando la interpretación de los múltiples procesos que afectan al planeta.
Captadores
Sucesivamente: primera cámara aérea (1915) desarrollada por J.T.C. Moore-Brabazon. Avión de la 2GM utilizado para realizar fotos aéreas. Satélite SMOS lanzado por la ESA (Agencia Espacial Europea) el 2 de noviembre de 2009.
Fuente: Martínez Vega y Martín Isabel (eds.) (2010).
La teledetección se basa en tres hechos diferenciados: la captura de los datos, la transmisión de los mismos y su análisis. Estos hechos –que difieren entre sí tanto en el aspecto científico como en el tecnológico– han permitido al ser humano ser capaz de observar lo que le rodea desde una perspectiva diferente, así como ampliar de forma notable su visión y conocimiento. El término utilizado en el mundo anglosajón para referirse a la teledetección es remote sensing; fue acuñado a mediados de los años cincuenta por la geógrafa y oceanógrafa Evelyn Pruitt (imagen 2).
Evelyn Pruitt (San Francisco, 1918-2000)
Fuente: Annals of the Association of American Geographers.
La teledetección o percepción remota (remote sensing) es una disciplina científica que integra un amplio conjunto de conocimientos y tecnologías utilizados para la observación, el análisis y la interpretación de fenómenos terrestres y atmosféricos. Sus principales fuentes de información son las medidas y las imágenes obtenidas con la ayuda de plataformas aéreas y espaciales.
La teledetección se conforma como una ciencia multidisciplinar cuyo avance y desarrollo ha dependido y dependerá, principalmente, de tres factores: los sensores que permiten captar la información que se desea obtener, los dispositivos utilizados para el envío de la información obtenida y la forma en que se analizarán dichos datos.
Martínez Vega, J. y Martín Isabel, P. (eds.) (2010), Guía Didáctica de Teledetección y Medio Ambiente. Red Nacional de Teledetección Ambiental. Centro de Ciencias Humanas y Sociales (CSIC), Madrid, pp. 1-3. Disponible en <https://www.aet.org.es/files/guia_teledeteccion_medio_ambiente.pdf>
Vea el siguiente video:
La teledetección: descubriendo el territorio invisible
Reflexione y conteste las siguientes preguntas:
- ¿A qué se refiere el video con “el territorio no visible”?
- ¿Cómo se define la teledetección en el video?
- ¿Qué es el “falso color”?, ¿por qué es necesario?
- ¿Cuál es el papel de la energía electromagnética en la obtención de imágenes?, ¿qué función tiene el sensor?
- ¿Es posible hacer teledetección sin energía solar?, ¿de qué forma?
- ¿Cuántos tipos de sensores aparecen en este video y qué función tienen?
- ¿Qué información facilitó el uso de la teledetección en el caso del incendio forestal que se cita en el video?
- ¿Cuál es el papel del trabajo de campo en la teledetección?
1.2. Historia de la teledetección
La historia de la teledetección se remonta hasta las primeras plataformas de observación aérea, los globos aerostáticos y la invención de la fotografía en el siglo XIX. En el año 1957, un hito simboliza la entrada de la teledetección en la era moderna: el lanzamiento del Sputnik, primer satélite artificial puesto en órbita alrededor de la Tierra por la antigua Unión Soviética. No obstante, la observación sistemática de la Tierra desde el espacio no se iniciará hasta tres años después, en 1960, con el lanzamiento del TIROS-1, primer satélite meteorológico con una cámara de televisión de baja resolución, que permitiría a los científicos distinguir entre nubes, agua, hielo y nieve. La familia de satélites TIROS fueron rebautizados como NOAA a partir de 1970 y siguen activos al día de hoy.
En 1969, el vuelo tripulado Apolo 9 realizó la primera experiencia de fotografía orbital multiespectral para el estudio de los recursos terrestres. Los resultados obtenidos sentaron las bases de la creación del programa ERTS (Earth Resources Technology Satellite), conocido también como Landsat, de la NASA. Así, el primer satélite específicamente dedicado a teledetección fue el norteamericano Landsat 1, que fue puesto en órbita el 23 de julio de 1972 y estuvo operativo hasta principios de 1978. El último de la serie, el Landsat 8, se lanzó al espacio el 11 de febrero de 2013 (Campbell y Wynne, 2011).
A partir de los datos suministrados por los Landsat, numerosos países se han sumado a la “carrera espacial” y han invertido en el desarrollo de medios propios de teledetección. Entre ellos destacan los satélites SPOT francés, Radarsat canadiense, el MOS de Japón, el IRS de la India, el ERS de la Agencia Espacial Europea y el SAC argentino (Latam Satelital, 2016).
Latam Satelital (2016), “El sector satelital latinoamericano” [en línea]. Disponible en <https://latamsatelital.com/sector-satelital-latinoamericano/>
Acontecimientos relevantes en teledetección
- 1800. Descubrimiento del infrarrojo por Sir William Herschell.
- 1839. Inicios de la práctica de la fotografía.
- 1847. A.H.L. Fizeau desvela el espectro infrarrojo y J.B.L. Foucault muestra sus propiedades compartidas con el espectro visible.
- 1859. La superficie terrestre fue fotografiada desde un globo por Gaspard Tournachin.
- 1909. Wilburg Wright tomó la primera fotografía de la superficie terrestre desde un avión.
- 1915. J.T.C. Moore-Brabazon desarrolló la primera cámara aérea diseñada para ser accionada desde un avión.
- 1945. Comenzaron a utilizarse las primeras películas en infrarrojo, desarrolladas por Kodak. Se introdujeron nuevos sensores como el radar y se utilizaron, habitualmente, los pares estereoscópicos.
- 1957. La antigua URSS lanzó el primer satélite artificial, el Sputnik.
- 1960. La NASA puso en órbita el primer satélite de observación de la Tierra, TIROS-1, pionero de la investigación meteorológica desde el espacio.
- 1961. Las primeras fotografías de la Tierra son tomadas desde el espacio por Alan B. Shepard durante una de las misiones de la plataforma Mercury.
- 1972. Se puso en órbita el primer satélite de la serie ERTS (Earth Resources Technology Satellite), rebautizada Landsat, a partir de 1975.
- 1981. Lanzamiento del transbordador espacial Space Shuttle (45.000 fotografías espaciales, de dominio público).
- 1986. Francia, en colaboración con Bélgica y Suecia, lanzó el satélite SPOT (Système Pour l’Observation de la Terre).
- 1991. La Agencia Espacial Europea (ESA) lanzó su primer satélite de teledetección, el ERS-1 (European Remote Sensing Satellite).
- 1993. México pone en órbita el geoestacionario Solidaridad I (desarrollo y fabricación EE. UU.).
- 1994. México pone en órbita el geoestacionario Solidaridad II (desarrollo y fabricación EE. UU.).
- 1995. La Agencia Espacial Europea (ESA) lanzó el segundo satélite de esta serie, el ERS-2.
- 1996. Argentina pone en órbita el SAC-B.
- 1999. Se lanza el satélite Ikonos-2, con 1 metro de resolución espacial. La NASA lanza el satélite Terra (parte del ambicioso programa EOS, Earth Observing System, un sistema de observación global de la Tierra). Brasil pone en órbita el CBERS-1 (desarrollo y fabricación China).
- 2002. Se pone en órbita el satélite AQUA (parte del ambicioso programa EOS).
- 2003. Brasil pone en órbita el Cbers-2 (observación de la Tierra) (desarrollo y fabricación China).
- 2009. Deimos Imaging (DMI) (España) lanza, con éxito, el primer satélite de observación de la Tierra, Deimos-1. La ESA (Agencia Espacial Europea) lanza, con éxito, el 2 de noviembre de 2009, el satélite SMOS.
- 2011. Argentina pone en órbita el SAC-D (observación de la Tierra). Chile pone en órbita el SSOT (observación de la Tierra) (desarrollo y fabricación Francia) (véanse imágenes 3-4 y 7).
- 2012. Venezuela pone en órbita el Miranda VRSS 1 (observación de la Tierra) (desarrollo y fabricación China).
- 2017. Planet Labs (EE. UU.) lanza 48 satélites DOVE Flock-2k para la observación de la Tierra.
- 2018. Argentina pone en órbita el satélite SAOCOM 1A (provee datos en cualquier condición meteorológica sobre riesgos de catástrofes naturales).
- 2020. Brasil colocará en órbita su primer satélite fabricado en el país, el Amazônia-1.
Fuente: elaborado a partir de Campbell y Wynne (2011), Martínez Vega y Martín Isabel (2010) y Latam Satelital (2016).
América Latina ha participado del diseño y la construcción de satélites desde la década de 1990; no obstante, la mayor parte de los casos se redujo a intentos a pequeña escala o académicos con satélites de peso reducido (menos de 100 kg). Durante esos años, varios países de la región consiguieron colocar satélites mayores en órbita, sin embargo, el desarrollo y su fabricación serían realizados por empresas extranjerasN. Estos fueron los casos de México –con los geoestacionarios Solidaridad I (2776 kg, lanzado en 1993) y Solidaridad II (1674 kg, puesto en órbita en 1994)– y de Brasil –con el CBERS-1 (1450 kg, heliosincrónico y lanzado en 1999).
México encargó la fabricación de los satélites Solidaridad I y II a la empresa estadounidense Hughes. Brasil encargó la fabricación del CBERS-1 a la Academia China de Tecnología Espacial.
Argentina fue el único país latinoamericano que apostó por el desarrollo y fabricación de satélites propios de más de 100 kg. El primero puesto en órbita fue el SAC-B (191 kg), un satélite para observación terrestre lanzado en 1996 (Latam Satelital, 2016).
En el siglo XXI, el interés de los países latinoamericanos por tener satélites propiosN ha aumentado exponencialmente.
Para ampliar información sobre las empresas satelitales latinoamericanas descargar el catálogo en <https://latamsatelital.com/catalogo/>
No obstante, de los 35 satélites de más de 100 kg puestos en órbita por países latinoamericanos o por empresas pertenecientes a ellos, únicamente cuatro (desde el año 2000 a la actualidad) han sido desarrollados y fabricados por el país al que pertenecen. Estos cuatro satélites son de Argentina. Estos datos muestran cómo América Latina, con la excepción de Argentina, sigue una dinámica de ser consumidora de tecnología satelital en vez de ser productora de la misma. Así, Argentina se erige como un país fuerte en el desarrollo y producción satelital, aunque todavía no alcanzó los niveles de competitividadN que poseen los principales fabricantes del mundo.
La medición de capacidad de estas plataformas se calcula con una relación entre el peso y la potencia útil. Por ejemplo, los Arsat 1 y 2 argentinos poseen 3 kw de potencia y un peso de 3 t (tonelada), lo que da una relación 1/1. Los principales fabricantes mundiales construyen plataformas en una relación peso/potencia de 1 a 3 (3 kw por cada tonelada), lo que posibilita abaratar costos.
Para conocer el contenido completo de la ley, véase <https://servicios.infoleg.gob.ar/infolegInternet /anexos/250000-254999/254823/norma.htm>.
Para conocer el Plan Satelital Geoestacionario argentino 2015-2035 véase <https://www.argentina2019.com.ar/archivos/prfl_5ot8iow8s3Libro_Plan_Satelital_argentino.pdf>
En este contexto, Argentina se encuentra desarrollando el “Plan Satelital Geoestacionario argentino 2015-2035” con el objetivo de convertirse en un actor internacional en el segmento de las plataformas geoestacionarias de telecomunicaciones. Este plan se plasmó en la Ley N° 27208N de Desarrollo de la Industria Satelital, sancionada el 4 de noviembre de 2015. El programa de trabajo incluido en su anexo propone el desarrollo y la producción de ocho satélites más, cuatro de ellos con propulsión híbrida (química y eléctrica) y dos completamente eléctricos para sustituir a los Arsat 1 y 2 (satélites de comunicación) (imagen 5-6). Argentina ha puesto en órbita el SAOCOM 1AN (Satélite Argentino de Observación con Microondas) (octubre de 2018), de desarrollo y fabricación nacional (Conae, Invap y CNEA), que permitirá obtener datos metereológicos para anticipar catástrofes naturales como inundaciones y sequías.
Asimismo, el plan incluye una propuesta de nacionalización progresiva de la producción de componentes tecnológicos. En un futuro a corto plazo, América Latina y el Sudeste asiático se plantean como dos de las regiones del planeta donde más van a crecer los grandes operadores satelitales, lo que puede favorecer a Argentina en su posicionamiento internacional en la industria satelital (Latam Satelital, 2016).
El Plan Espacial Nacional 2016-2027
- A partir de la tabla “Satélites latinoamericanos adquiridos durante el período 2000-2016” y de los “Componentes del SAC-D Aquarius” (imagen 7), que se muestran a continuación, escoja dos países y dos satélites y haga una matriz (una tabla sencilla) de la procedencia de los componentes tecnológicos principales. Siga el ejemplo de la imagen 7.
Según la información obtenida, responda reflexivamente las siguientes preguntas:
- ¿Qué tipo de relación se materializa en los contextos presentes entre la industria de satélites y el desarrollo de los países latinoamericanos en materia tecnológica?
- En la historia reciente de América Latina, ¿podría decirse que hay una apuesta regional por el desarrollo de la teledetección?
Componentes del SAC-D Aquarius
Fuente: Latam Satelital (2016). <https://www.unsam.edu.ar/tss/wp-content/uploads/2016/07/TSS_Lista-de-satelites-2000-y-adelante-version1.pdf>
Chuvieco, E. (1996), Fundamentos de Teledetección espacial, segunda edición, Rialp, Madrid, pp. 24-32.
1.2.1. Aplicaciones actuales de la teledetección
Las aplicaciones de la teledetección son múltiples y, por tratarse de una tecnología reciente, todavía están en proceso de desarrollo. Generalmente, se agrupan en: a) aplicaciones militares (posiciones, movimientos, material, vías de acceso, meteorología) que tuvieron un desarrollo casi exclusivo hasta el desarrollo civil de la aeronáutica espacial, y b) aplicaciones civiles (riesgos, impacto, localizaciones, etc.) que se desarrollan en paralelo a la carrera espacial. Las disciplinas que utilizan de manera continua las informaciones de los satélites son la geografía, la cartografía, la biología, la edafología, la geología, la agronomía, la oceanografía y la arqueología, aunque cada vez más disciplinas comienzan a usar estas informaciones satelitales (Campbell y Wynne, 2011).
Por la característica particular de permitir la observación de grandes superficies, medir en diferentes rangos de longitudes de onda y monitorizar cualquier parte del orbe terrestre, la teledetección se erige como una herramienta fundamental en diversas áreas temáticas: atmósfera, geología y suelo, urbano y suburbano, ambiente, hidrología y aguas dulces, recursos terrestres sólidos, programación territorial e infraestructuras, riesgos naturales y calamidades, cartografía, agricultura, océanos y costas, transporte y navegación, bosque y vegetación natural, etc. (Martínez Vega y Martín Isabel, 2010; Pérez Gutiérrez y Muñoz Nieto, 2006).
Aplicaciones más destacadas de la teledetección
- Medición de aguas superficiales y humedales para evaluar la situación del hábitat de una especie determinada.
- Estudio de la erosión.
- Estudios de impacto ambiental.
- Cartografía geológica para la explotación de recursos minerales y petroleros.
- Cartografía de la cobertura vegetal del suelo.
- Seguimiento del movimiento de icebergs en zonas polares.
- Cartografía e inventario de la cobertura y uso del suelo.
- Selección de rutas óptimas para nuevas vías de comunicación.
- Estimación de modelos de escorrentía y erosión del suelo.
- Inventario del agua superficial.
- Verificación de contenidos de salinidad en las principales corrientes de agua.
- Control de las corrientes marinas.
- Evaluación de condiciones de estrés en la vegetación, por efectos de la sequía o la deforestación.
- Cartografía de áreas quemadas y seguimiento de los procesos de repoblación natural.
- Agricultura de precisión: predicción del rendimiento de cultivos y del momento óptimo para las cosechas.
La mayor parte de las aplicaciones reseñadas no son exclusivas de la teledetección espacial, aunque su uso posibilita reducir los costos y ahorrar tiempo en la obtención de resultados. Estos son algunos de los desarrollos civiles de la teledetección más usuales, aunque se puede encontrar una amplia gama de ellos, variados y diversos. Sin duda alguna, existe también un uso intensivo dentro del área militar y de la seguridad.
Otra de las potencialidades de la teledetección es su capacidad de realizar estudios de sistemas que evolucionan en el tiempo mediante análisis lineales, es decir, hacer mediciones de diferentes variables físicas de grandes superficies como, por ejemplo, el avance del deshielo en el Ártico a lo largo de varios años. De este modo, se puede comparar de forma sencilla la evolución de las variables seleccionadas sin interaccionar con ellas, así como realizar estudios estadísticos complejos de aquellas recogidas (ya que se almacena gran cantidad de datos en formato digital).
Ventajas de la teledetección
- Realiza una toma de datos no invasiva.
- Posibilita el estudio de grandes áreas.
- Provee acceso a zonas inaccesibles o sin cartografía.
- Tiene gran capacidad de almacenamiento digital, manipulación y procesado.
- Posibilita estudios estadísticos de grandes volúmenes de datos.
- Recoge una multiplicidad de información en una sola imagen.
- Posibilita la realización de seguimientos lineales de las variables seleccionadas.
No obstante, la teledetección también presenta algunos problemas y limitaciones derivados de la propia estructura en la recogida de los datos. Por ejemplo, la decisión sobre qué sensor utilizar va a depender de la variable física que se quiera medir, lo que obliga a una planificación a priori de lo que se desea medir y la forma en la que se va a medir (incluso la frecuencia de la medición), ya que, generalmente, estos sensores se fabrican ad hoc y no hay posibilidad de, por ejemplo, hacer regresar el satélite a la Tierra para modificar o cambiar el sensor correspondiente. Como consecuencia de esto, demasiado a menudo se carece de sensores adecuados, lo que obliga a desarrollar uno específicamente para cada proyecto. Finalmente, es difícil realizar una calibración de los sensores, por lo que se suele trabajar con valores relativos de superficies, poblaciones, etc., en lugar de trabajar con valores absolutos (Campbell y Wynne, 2011).
Limitaciones de la teledetección
- Conocimiento a priori de las respuestas en frecuencia de los objetos a estudiar.
- Escasez y alto costo de sensores/dispositivos adecuados para hacer las medidas.
- Instrumentación no calibrada. Trabajo con valores relativos en lugar de absolutos.
- Necesidad de realizar cálculos complejos para una representación válida de los datos (correcciones geométricas, etc.).
Chuvieco, E. (1996), Fundamentos de Teledetección espacial, segunda edición, Rialp, Madrid, pp. 39-42.
Organismos dedicados a la distribución de imágenes
Imágenes de baja resolución
- Imágenes NOAA:<https://www.goes.noaa.gov/>
- Imágenes Eumesat: <https://www.eumetsat.int/website/home/index.html>
- Imágenes del Modis: <https://modis.gsfc.nasa.gov/>
- Imágenes del SMN: <https://www.smn.gob.ar/satellite>
Imágenes de alta resolución
- Imágenes Servicio Geológico de los Estados Unidos: <https://earthexplorer.usgs.gov/>
- Imágenes de la Agencia Espacial Europea: <https://scihub.copernicus.eu/dhus/>
- Imágenes NOAA class: <https://www.avl.class.noaa.gov/saa/products/welcome>
- Imágenes NASA-Reverb ECHO: <https://search.earthdata.nasa.gov/search>
- Imágenes del INPE: <https://www.dgi.inpe.br/CDSR/>
- Imágenes del JAXA: <https://www.eorc.jaxa.jp/ALOS/en/aw3d30/>
- Imágenes de Роскосмос: <https://www.roscosmos.ru/>
Radar
- Imágenes de ESA: <https://www.esa.int/ESA>
- Imágenes del SMN: <https://www.smn.gob.ar/radar_new>
- Imágenes del Aemet: <https://www.aemet.es/es/eltiempo/observacion/radar?w=0>
Fuente: elaborado a partir de “Lista de Teledetección”. Grupo de Trabajo Mercator de la EUIT Topográfica de la Universidad Politécnica de Madrid/ Laboratorio de Teledetección del INTA. <https://redgeomatica.rediris.es/teledeteccion/listatdt3.html>
1.3. Proceso de la teledetección
Para poder obtener información a distancia es necesaria la interacción de tres elementos fundamentales: una fuente de energía, un objetivo y un dispositivo o sensor adecuado (imagen 9). En este sentido, el principio de base de la teledetección es similar al de la visión.
La fuente de energía es la que “ilumina” el objetivo emitiendo una onda electromagnética (flujo de fotones). También es posible medir el calor que se desprende de la superficie del objetivo (infrarrojo térmico). En este caso, el propio objetivo es la fuente de energía (aunque se trata de energía solar almacenada y reemitida).
El objetivo es la porción de la superficie terrestre observada por la plataforma. Su dimensión varía, en función de la resolución del captador, de unos pocos kilómetros cuadrados a algunos miles de kilómetros cuadrados.
El captador o sensor de teledetección mide la energía solar (la radiación electromagnética) reflejada por el objetivo. El captador puede encontrarse en un satélite o en un avión, sobrevolando el objetivo desde una altura de pocos centenares de metros hasta distancias de 36.000 km en el caso de los satélites meteorológicos.
Los captadores de los satélites miden la radiación electromagnética reflejada (EEM) y posteriormente reenvían esta información a la Tierra mediante un emisor. En la Tierra, una red de estaciones de recepción recibe y almacena estos datos (Ormeño, 2006).
Componentes de un sistema de teledetección (pasiva/activa)
Fuente: extraído del tema 3 de teledetección del IES Vicent Andres Estelles. <https://es.slideshare.net/Bioestelles/tema-3-40690655>
Cuando la fuente de energía es el Sol, y el captador solo mide la radiación reflejada, se conoce como teledetección pasiva. Esta modalidad de teledetección solo es operativa durante las horas con luz solar. Por la noche, o cuando hay nubes que se interponen, no es posible realizar observaciones N.
Como consecuencia de ello, la observación, por ejemplo, de regiones de frecuente presencia de nubes –como las regiones tropicales–, no es sencilla con esta modalidad de teledetección. Asimismo, son difíciles las regiones con reducida luz solar –como las regiones polares en los periodos invernales.
Si el mismo captador está provisto de una fuente emisora de energía que la envía hacia el objetivo (radar) y mide el eco producido se denomina teledetección activa (imagen 10). El radar atraviesa la cobertura de nubes, lo cual facilita la obtención de imágenes independientemente de las condiciones meteorológicas, tanto de día como de noche. Aunque las imágenes de radar resultan muy complejas de analizar, complementan los datos de la teledetección pasiva y ofrecen información adicional sobre otros aspectos de la superficie terrestre, como la topografía del terreno.
Sistema de teledetección
Fuente: Ormeño (2006).
La información se adquiere detectando y midiendo cambios que el objeto induce en su entorno; estos cambios pueden referirse a un campo electromagnético emitido o reflejado, a ondas acústicas reflejadas o alteradas, o a perturbaciones del campo gravitatorio o del potencial magnético debido a la presencia del objeto. Generalmente, la utilización más usual del término "teledetección" se realiza en referencia a las técnicas electromagnéticas de adquisición de información. Estas técnicas abarcan el conjunto del espectro electromagnético: desde las ondas de radio de baja frecuencia, pasando por las regiones de las microondas, infrarrojo lejano, infrarrojo próximo, visible, ultravioleta, rayos X, rayos gamma, hasta los rayos cósmicos (Ormeño, 2006).
Ormeño, S. (2006), Teledeteción fundamental, tercera edición, Universidad Politécnica de Madrid, Madrid, pp. 15-20. Disponible en <https://pdi.topografia.upm.es/santi/descarga/FunTeled.PDF>
Un sistema de teledetección de la superficie terrestre, basado en las ondas electromagnéticas, se caracteriza por la concurrencia de los siguientes elementos (imagen 11):
- Fuente o fuentes de la radiación electromagnética.
- Interacción de las ondas electromagnéticas con la superficie terrestre.
- Interacción de las ondas electromagnéticas con la atmósfera.
- Receptor o receptores de las ondas electromagnéticas.
Sistemas de observación global
El electromagnetismo es la fuerza que une grupos de átomos para formar moléculas: es la estructura de la materia tal y como la conocemos. Por ello, cada material de la superficie terrestre (vegetación, rocas, minerales, fauna, etc.), al estar compuesto por moléculas diversas y tener así estructuras distintas, tendrá características electromagnéticas diferentes, y pueden ser definidas, teóricamente, si podemos medir esas diferencias (Soria y Matar, 2016). Los electrones ocupan órbitas o capas discretas rodeando al núcleo, en una cantidad para cada átomo que está determinada por la carga eléctrica del núcleo, que a su vez se debe a la cantidad de protones que contenga ese núcleo. Cuando un electrón va de una órbita externa a una órbita interior emite un fotón. La longitud de onda de este fotón está determinada por las órbitas particulares entre las que el electrón efectúa la transición. De esta forma, un espectro (imagen 12), que registra las longitudes de onda de los fotones, revela qué elementos químicos conforman el objeto que se ha captado.
El espectro electromagnético y sus relaciones
Estas ondas van a ser captadas por los distintos sensores. La distancia a que debe estar situado un sensor para poder ser llamado “remoto” es una cuestión subjetiva, de criterio, pero existe la aceptación generalizada de que la distancia puede ir desde pocos decímetros hasta varios cientos de kilómetros. En consonancia con las técnicas actuales, es posible disponer de dos tipos de productos generados a partir de datos captados por un sensor remoto. El tipo de sensor definirá a priori qué método de interpretación podrá aplicarse: por un lado, se obtiene información “visual” o de imágenes, por otro, la denominada "información alfanumérica" (imagen 13) –información en forma de números o tablas de letras y símbolos– (Soria y Matar, 2016).
Los dos tipos de información generada en sensores remotos y el flujo normal de su procesamiento, cualquiera sea la disciplina que la emplea.
Fuente: LARS, Univ. Purdue, Indiana, USA, extraído de Soria y Matar (2016).
Soria, M. y Matar, M. (2016), “Nociones de teledetección” [en línea], pp. 3-7. Laboratorio de Procesamiento de Imágenes y SIG, Instituto de Investigaciones Mineras, Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de San Juan, San Juan. Disponible en <https://www.unsj.edu.ar/unsjVirtual/cartografiaaplicadaminas/wp-content/u...>
Vea los siguientes videos
El espectro electromagnético NASA (en español) videos 1-5
- Recorra el camino que proponen los videos y confeccione
una tabla síntesis que incluya:
- El tema principal de cada video.
- Los aspectos técnicos que se desarrollan.
- Ejemplos o casos analizados.
- La relación espectro electromagnético - información - sensor.
- La utilización más usual del término "teledetección" refiere a las técnicas electromagnéticas de adquisición de información sobre la superficie terrestre y atmósfera circundante mediante sistemas sensores remotos.
- Cuando la fuente de energía es el Sol, y el captador solo mide la radiación reflejada, se conoce como "teledetección pasiva". Cuando el mismo captador está provisto de una fuente emisora de energía (radar) que envía hacia el objetivo y mide el eco producido se denomina "teledetección activa".
- El espectro electromagnético utilizado abarca desde las ondas de radio de baja frecuencia, pasando por las regiones de las microondas, infrarrojo lejano, infrarrojo próximo, visible, ultravioleta, rayos X, rayos gamma, hasta los rayos cósmicos.
Según los contenidos trabajados a lo largo de la unidad, reflexione sobre la interpretación de nuestros sentidos (nuestra percepción) en relación con nuestra capacidad de observar la realidad, sus limitaciones y las herramientas que ofrece la teledetección para ampliar nuestra percepción humana.
Revistas especializadas en teledetección
- Canadian Journal of Remote Sensing, Ontario, Canadá.
- Earth Observation Magazine, Aurora, Estados Unidos.
- Geocarto International, Hong Kong, China.
- IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, Nueva York, Estados Unidos.
- International Journal of Geographical Information Science, Basingstoke, Reino Unido.
- International Journal of Remote Sensing, Basingstoke, Reino Unido.
- Mapping Sciences and Remote Sensing, Columbia, Estados Unidos.
- Photogrammetria, Amsterdam, Holanda.
- Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, Bethesda, Estados Unidos.
- Photointerprétation, París, Francia.
- Remote Sensing of Environment, Nueva York, Estados Unidos.
- Remote Sensing Quarterly, Omaha, Estados Unidos.
- Remote Sensing Reviews, Nueva York, Estados Unidos.
- Revista Española de Teledetección, Madrid, España.
- Soviet Journal of Remote Sensing, Nueva York, Estados Unidos.
Fuente: extraído de “Lista de Teledetección”. Grupo de Trabajo Mercator de la EUIT Topográfica de la Universidad Politécnica de Madrid/ Laboratorio de Teledetección del INTA. <https://redgeomatica.rediris.es/teledeteccion/listatdt3.html>
Alonso-Sarría, F. (2013), “Fundamentos de la teledetección”, [en línea], subapartado 1.1. Universidad de Murcia, Murcia. Disponible en <https://www.um.es/geograf/sigmur/temariohtml/>
1.3.1. Fundamentos físicos de la teledetección
Como se señaló con anterioridad, la observación remota es posible debido a la interacción de un flujo energético con las cubiertas terrestres del planeta. Este flujo, conocido como "radiación electromagnética" (em) se aborda desde la física a través de dos teorías: la teoría ondulatoria y la teoría cuántica (imágenes 14 y 15).
Teoría ondulatoria
Fuente: Universidad de Murcia. Apuntes de teledetección. <https://docplayer.es/21225840-Tema-ii-principios-fisicos-de-la-teledeteccion.html>
Teoría cuántica
Fuente: Universidad de Murcia. Apuntes de teledetección. <https://www.um.es/geograf/sigmur/teledet/tema02.pdf>
Tradicionalmente, estas dos teorías fueron consideradas “contrapuestas”. Actualmente, ambas son utilizadas complementariamente, ya que las dos han demostrado que la luz puede comportarse de acuerdo con ambos planteamientos. Se considera, de este modo, que la radiación em posee una naturaleza dual: corpuscular y ondulatoria (imagen 16).
Radiación electromagnética (em)
La radiación electromagnética (em) se define como una combinación de campos eléctricos y magnéticos oscilantes que se propagan a través del espacio transportando energía de un lugar a otro. A diferencia de otros tipos de onda, como el sonido, que necesitan un medio material para propagarse, la radiación electromagnética se puede propagar en el vacío. Para la teoría ondulatoriaN, en este fenómeno de propagación actúan dos campos de forma perpendicular: el campo magnético y el campo eléctrico (imagen 17).
En 1873, James Clerck Maxwell (1831-1879) demostró que la velocidad de las ondas electromagnéticas era sensiblemente igual que las ondas que podían encontrarse en la luz. Esta teoría ondulatoria (llamada también teoría de Maxwell) fue comprobada posteriormente por Heinrich Rudolf Hertz (Pérez Gutiérrez y Muñoz Nieto, 2006).
Propagación de la energía electromagnética
Fuente: Pérez Gutiérrez y Muñoz Nieto (2006).
Esta teoría se explica sobre la base de dos conceptos fundamentales: la longitud de onda y la frecuencia (Pérez Gutiérrez y Muñoz Nieto, 2006). Se apoya en la siguiente fórmula:
\[ c = \lambda \ast F \]
Donde c es la velocidad de propagación de la luz (una constante), y λ y F son la longitud de onda y la frecuencia respectivamente. A partir de esta fórmula puede deducirse que longitudes de onda cortas tendrán altas frecuencias y, al contrario, ondas largas tendrán bajas frecuencias (imagen 18).
Longitudes de onda corta y larga y sus respectivas frecuencias
Fuente: Universidad de Murcia. Apuntes de teledetección. <https://www.um.es/geograf/sigmur/teledet/tema02.pdf>
Una onda electromagnética es la forma en la que se propaga la radiación electromagnética a través del espacio. Los campos magnéticos y eléctricos están dispuestos de forma perpendicular el uno al otro y a la dirección de propagación.
No obstante, la teoría de Maxwell no logra explicar completamente algunos fenómenos de interacción entre la radiación em y la materia. En estos casos, se utiliza la teoría cuántica, formulada por Max Planck, que permitió explicar que la radiación em era absorbida y emitida en la forma de paquetes discretos o cuantos. Esta teoría estableció que la energía de cada cuanto dependía solamente de la frecuencia de la radiación.
\[ E= hv \text{ o } E = h/c \lambda \]
Donde E es la energía radiante de un fotón en joules, ν su frecuencia, h la constante de Planck (6.626x10-34 J/s).
La teoría cuántica explica el fenómeno de la radiación electromagnética teniendo en cuenta sus propiedades energéticas. La fórmula esencial es la siguiente:
\[ Q = h \ast F \]
Donde Q es la cantidad de energía que transporta una onda, h es una constante (la constante de Planck) y F es la frecuencia. Si despejamos la frecuencia (F) en la fórmula anterior queda la siguiente expresión:
\[ Q = h ( c/ \lambda ) \]
Si analizamos esta expresión, observamos que las ondas electromagnéticas de alta frecuencia tienen una longitud de onda corta y mucha energía, mientras que las ondas de baja frecuencia tienen grandes longitudes de onda y poca energía por lo que aumentará la dificultad para poder detectar dichas radiaciones (imagen 18) (Pérez Gutiérrez y Muñoz Nieto, 2006).
La radiación electromagnética es una forma de energía que se propaga mediante ondas que se desplazan por el espacio a la velocidad de la luz (300.000 km/s) transportando cantidades discretas de energía (cuantos).
La radiación em posee una naturaleza dual: corpuscular y ondulatoria.
Espectro electromagnético
Las radiaciones electromagnéticas se caracterizan por tener longitudes muy diferentes, desde los rayos X y gamma con longitudes de onda menores de 100 armstrongsN hasta las ondas de televisión y radio con longitudes mayores de un metro. El conjunto de todas las longitudes de onda se denomina "espectro electromagnético".
El armstrong (símbolo Å) es una unidad de longitud utilizada para expresar longitudes de onda, distancias moleculares y atómicas, etc. Es equivalente a la diez mil millonésima parte del metro (0.000 000 000 1 m).
Dentro del espectro electromagnético se distingue una serie de regiones en función de la longitud de onda: ondas de radio, microondas, infrarrojos, visible –que percibimos como luz visible–, ultravioleta, rayos X y rayos gamma (imagen 19). El comportamiento de las radiaciones electromagnéticas dependerá de su longitud de onda (pueden dividirse en octavas, igual que las ondas de sonido).
La espectroscopía –el estudio de la interacción entre la radiación electromagnética y la materia, con absorción o emisión de energía radiante– puede detectar una región mucho más amplia del espectro electromagnético que el rango visible de 400 a 700 nm (nanómetros). Un espectrómetro de laboratorio común puede detectar longitudes de onda de 2 a 2500 nm (Rodríguez Chávez y Arredondo, 2005).
El espectro electromagnético. Longitudes de onda y frecuencias
Cada banda del espectro permite conocer elementos y objetos específicos de la superficie terrestre. Las aplicaciones de las diferentes bandas espectrales son:
|
Banda espectral |
Aplicaciones |
|
Azul (0.45-0.5 µm) |
Penetración del agua, uso de la tierra, características de la vegetación, sedimentos |
|
Verde (0.5-0.6 µm) |
Reflexión verde de la vegetación sana |
|
Rojo (0.6-0.7 µm) |
Discriminación de la vegetación por la absorción de la clorofila |
|
Pancromático (0.5-0.75) |
Trazado del uso de la tierra |
|
Infrarrojo reflectivo (0.75-0.9) |
Biomasa, identificación de cultivos, límites de tierra y agua |
|
Infrarrojo medio (1.5-1.75) |
Cantidad vegetación, zonas áridas, nubosidad, hielo, nieve |
|
Infrarrojo medio (2-2.35) |
Geología, formación de rocas |
|
Infrarrojo térmico (10-12.5) |
Diferenciación temperatura, descargas térmicas, clasificación de la vegetación, inercia térmica |
|
Microonda de onda corta (0.1-5 cm) |
Cubrimiento de la nieve, profundidades, contenido de agua en la vegetación |
|
Microonda de onda larga (5-24 cm) |
Medidas del suelo, límites entre tierra y agua, penetración de la vegetación |
Tabla 1. Principales bandas espectrales descritas por los sensores remotos y sus aplicaciones
Fuente: Rodríguez Chávez y Arredondo (2005).
La radiación que podemos ver es la que se encuentra en la franja entre los 400 y 750 nm. La longitud de onda promedio del espectro visible sería de 500 nm, aproximadamente. Este tamaño equivale a la centésima parte del diámetro de un cabello humano.
Dentro del espectro visible, las longitudes de onda más largas están asociadas
al color rojo y las más cortas al violeta. Cuando las longitudes de onda s son
mayores de 750 nm se sitúan en el infrarrojo, región del espectro electromagnético
que ya no es visible para el ojo humano. Cuando son menores de 400 nm, entonces
se habla de la región del ultravioleta, tampoco visible por el ojo humano
(Ahrens, 1987).
En el marco del desarrollo tecnológico actual, los sensores espaciales utilizan un ámbito limitado de longitudes de onda, que van desde el espectro visible –comprendido entre 0.4 y 0.7 µm –, hasta las microondas –ondas de más de 1 milímetro–, discurriendo, en un emplazamiento intermedio, por las regiones espectrales del infrarrojo (próximo, medio y térmico). Asimismo, la captación de información procedente de la Tierra desde la plataforma orbital queda condicionada por la acción de determinados compuestos químicos como el anhídrido carbónico, el ozono o el vapor de agua, que cierran el paso a las ondas en áreas concretas del espectro (Pérez Gutiérrez y Muñoz Nieto, 2006).
Soria, M. y Matar, M. (2016), “Nociones de teledetección” [en línea], pp. 15-24. Laboratorio de Procesamiento de Imágenes y SIG, Instituto de Investigaciones Mineras, Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de San Juan, San Juan. Disponible en <https://www.unsj.edu.ar/unsjVirtual/cartografiaaplicadaminas/wp-content/u...>
1.4. Interacciones de la radiación electromagnética
Todos los objetos, con independencia de la radiación que emitan, recibirán radiación emitida por otros cuerpos, principalmente del Sol. En relación con el objeto sobre el que es emitida, esta radiación puede:
- reflejarse (la radiación es reenviada al espacio);
- absorberse (la radiación incrementa la energía del objeto);
- transmitirse (la radiación se transmite hacia abajo a otros objetos).
Interacciones de la radiación electromagnética con la materia
Fuente: Manuel Castillo, 2002.
La parte de energía que se refleja se denomina reflectividad o albedo \( ( \rho ) \); la parte de energía que se absorbe se denomina absortividad \( ( \alpha ) \); la parte de energía que se transmite se denomina transmisividad \( ( \tau ) \) (imagen 20). Así resulta:
\[ \rho + \alpha + \tau = 1 \]
La interacción de la radiación electromagnética con la atmósfera y con los objetos terrestres (con los valores de ρ, α y τ de un cuerpo específico), va a depender, por un lado, de la longitud de onda y, por otro, de las características de ese cuerpo.
Como ya se ha mencionado, todo cuerpo con temperatura sobre el cero absoluto genera y emite a su entorno energía en forma de radiación. No todas las superficies emiten o absorben la misma cantidad de energía radiante cuando se calientan a la misma temperatura. Un cuerpo que absorbe o emite la máxima cantidad de energía posible a una temperatura determinada se denomina superficie negra o simplemente cuerpo negro (imagen 21). En la naturaleza no existe tal sustancia –un cuerpo negro perfecto– (incluso el negro de humo refleja el 1 % de la energía incidente), pero el concepto resulta útil para la formulación de leyes físicas a través de la comparación con sustancias distintas a un cuerpo negro. Es necesario señalar que existen numerosas superficies que son cuerpos negros casi perfectos, especialmente para radiaciones de onda larga, por lo que para casos prácticos son considerados como cuerpos negros con suficiente exactitud (ITE, 2018).
Potencia máxima emisiva. Cuerpo negro
Fuente: ITE. Ministerio de Educación. Gobierno de España. <https://fjferrer.webs.ull.es/Apuntes3/Leccion02/2_fsica_de_la_radiacin.html>
Cuando un cuerpo negro se calienta a una temperatura absoluta, T, su superficie emite un flujo de radiación térmica con una distribución espectral definida que puede determinarse mediante la Ley de Planck (ITE, 2018):
\[ Q_{0 \lambda}(T) = \frac {C_1}{\lambda^5 (e^{C_2 / \lambda T} - 1)} \]Q0λ: Poder emisivo espectral en función de la longitud
de onda [W/m2]
λ: Longitud de onda [m]
T: Temperatura absoluta [ºK]
C1: 1ª cte. radiación = 3.7418·10-16 [W m2]
C2: 2ª cte. radiación = 1.4388·10-2 [m ºK]
De esta Ley de Plank es posible deducir la longitud de onda en la cual la potencia emisiva es máxima (imagen 22), derivándola respecto a λ, igualando a 0 y despejando λ. El resultado es la Ley del desplazamiento de Wien:
\[ \lambda \ pico \ T = 2.898 \cdot 10^{-3} m \cdot k \]
Longitud de onda y potencia emisiva. Cuerpo negro
Fuente: ITE. Ministerio de Educación. Gobierno de España. <https://fjferrer.webs.ull.es/Apuntes3/Leccion02/2_fsica_de_la_radiacin.html>
El flujo total de energía radiante que va a emitir un cuerpo negro en todo el espectro a una temperatura absoluta T se establece integrando la distribución de Planck para todas las longitudes de onda. El resultado se conoce como la Ley de Stefan-Boltzmann:
\[\begin{array}{rl} Q_{0}(T) = \int^{\infty}_0 Q_{0, \lambda} d \lambda = \sigma \cdot T^4 \\ \{ W/m^2 \} \end{array}\]σ = 5.67·10-8 [W/m2 ºK4] es la constante de Stefan-Boltzmann
Del análisis de esta ley se deduce que el flujo de radiación es directamente proporcional a su temperatura absoluta elevada a la cuarta potencia (imagen 23). De este modo, un cuerpo negro a 6250 ºK (el Sol) emitiría 86·106 W/m2, y a una temperatura ambiental de 300 ºK (27 ºC) emitiría 460 W/m2 (ITE, 2018).
Relación potencia emisiva y temperatura absoluta. Cuerpo negro
Fuente: ITE. Ministerio de Educación. Gobierno de España. <https://fjferrer.webs.ull.es/Apuntes3/ Leccion02/2_fsica_de_la_radiacin.html>
|
Objetos |
||||
| Radiación |
Atmósfera despejada |
Nubes |
Agua |
Superficie terrestre |
|
ρ (reflejada) |
muy baja para todas las longitudes de onda |
muy alta en el visible |
muy baja en todas las longitudes de onda
|
depende de la longitud de onda |
|
α (absorbida) |
depende de la longitud de onda |
depende de la longitud de onda |
depende de la longitud de onda |
depende de la longitud de onda |
|
τ (transmitida) |
depende de la longitud de onda |
depende de la longitud de onda |
depende de la longitud de onda |
nulo |
Tabla 2. Aproximación general al comportamiento de diferentes objetos respecto a su interacción con la radiación.
Fuente: Universidad de Murcia. Apuntes de teledetección. <https://www.um.es/geograf/sigmur/teledet/tema02.pdf>
Intensidad de la radiación solar sobre la superficie terrestre
Alonso-Sarría, F. (2013), “Fundamentos de la teledetección”, [en línea], subapartados 1.2 y 1.3. Universidad de Murcia, Murcia. Disponible en <https://www.um.es/geograf/sigmur/temariohtml/>
- Sobre el mapa de la imagen 24, identifique en una tabla o matriz las zonas de mayor y menor radiación solar con los objetos terrestres correspondientes.
Responda las siguientes preguntas:
- ¿La radiación solar recibida es homogénea?
- ¿Hay elementos que afectan a esa radiación emitida por el Sol antes de llegar a la superficie terrestre?
- Según el mapa, ¿cuáles serían las zonas de la tierra más “fáciles” de teledetectar?, ¿en qué condiciones?, ¿por qué?
- Según el mapa, ¿cuáles serían las zonas más “difíciles” de teledetectar?, ¿en qué condiciones?, ¿por qué?
1.4.1. Interacciones de la atmósfera con la radiación electromagnética
La atmósfera es un factor importante al considerar los flujos de radiación entre el Sol y la superficie terrestre y entre esta y los satélites, ya que se interpone entre la superficie objeto del estudio y el sensor. Aunque es prácticamente diáfana para algunas longitudes de onda –su existencia no altera la detección de la radiación–, en ciertas bandas del espectro, los componentes atmosféricos sí producen efectos que afectan a la señal teledetectada (Chuvieco, 2000).
En el espacio exterior no hay pérdida de radiación por interferencia con ningún medio material, solo atenuación debida a la Ley del cuadrado de la distancia imagen. Esta ley establece que, para una onda (el sonido o la luz) que se propaga desde una fuente concreta en todas direcciones por igual, la intensidad de la misma se reduce en relación con el cuadrado de la distancia a la fuente de emisión. Por ejemplo, si tomamos como referencia una fuente de luz pequeña y hacemos mediciones de la intensidad lumínica desde una distancia d y desde una distancia 2d, en el primer caso la intensidad es [(1/d)/(1/2d)]² = 4 veces mayor que en el segundo (Chuvieco, 2000).
Los gases y aerosoles que componen la atmósfera tienen un efecto triple sobre la radiación: absorción, dispersión y emisión.
En la absorción de la energía, cada uno de los gases atmosféricos tiene capacidad para absorber radiación en diferentes longitudes de onda (imagen 25). Los principales responsables son:
- Ozono (O3): absorbe radiación ultravioleta
- Dióxido de carbono (CO2): absorbe radiación en 13-17.5 μ;
- Vapor de agua (H2O): absorbe radiación en 5.5-7 μ y por encima de 27 μ;
Bandas de absorción y ventanas en el espectro electromagnético
Fuente: Universidad de Murcia. Apuntes de teledetección <https://www.um.es/geograf/sigmur/teledet/tema02.pdf>
Existen regiones del espectro en las que no se produce absorción; son las llamadas ventanas atmosféricas (imágenes 26 y 27), y se conforman como los espacios donde va a ser viable (en principio) la teledetección. Aparecen en:
- Visible e infrarrojo cercano (0.3-1.35 μm)
- Infrarrojo cercano de onda corta (1.5-1.8 μ; 2-2.4 μ)
- Infrarrojo medio (2.9-4.2 μ; 4.5-5.5 μ)
- Infrarrojo térmico (8-14 μ)
- Microondas, sobre 20 µ la atmósfera es prácticamente transparente
Ventanas atmosféricas
Fuente: Lillesand y Kiefer (1994).
Pared atmosférica
Fuente: Agencia Aeroespacial de México.
Otra problemática añadida es la presencia de partículas líquidas (imagen 28) o sólidas (imagen 29), ya que van a reflejar gran parte de la radiación solar recibida. Al emitir las nubes su propia radiación en el infrarrojo térmico –y esta diferente a la terrestre debido a su menor temperatura– ocultarán la superficie terrestre en ambas regiones del espectro. Asimismo, como consecuencia de la saturación en vapor de agua del aire dentro de las nubes, su capacidad de absorber la radiación en la banda de absorción del vapor de agua dependerá de su espesor (Ahrens, 1987).
Efecto de las nubes sobre las observaciones de satélite
Fuente: Universidad de Murcia. Apuntes de teledetección. <https://www.um.es/geograf/sigmur/teledet/tema02.pdf>
Efecto del polvo en observaciones satelitales
Fuente: Jacques Descloitres, MODIS Rapid Response Team, NASA/GSFC.
Estas dificultades se tienen en cuenta a la hora de diseñar un sensor. Aunque la tecnología actual no puede eliminar los problemas, existen varias posibilidades de paliar algunos de ellos:
- Captando la radiación solar reflejada por la superficie (en una longitud de onda que corresponda a una ventana atmosférica).
- Captando la radiación infrarroja que procede de la superficie terrestre o de las nubes.
- Captando la radiación de una banda en la que un gas muestre una elevada capacidad de absorción para así hacer una estimación de la concentración de este gas. A menor radiación recibida, mayor cantidad de gas.
Es necesario tener en cuenta que, incluso en las ventanas atmosféricas, la transmitancia nunca va a llegar a ser del 100%. De este modo, la radiancia que llega al satélite va a ser siempre algo menor que la que sale de la Tierra (Alonso-Sarría, 2013).
La dispersión de la radiación, en ciertas bandas del espectro, es el mecanismo por el cual la radiación electromagnética es reflejada por gases o partículas situados en la atmósfera. De este modo, disminuye la radiancia directa y aumenta la difusa. Los principales causantes de la dispersión atmosférica son los gases y aerosoles (partículas sólidas o líquidas) de los que está compuesta. A causa de la variabilidad espacio-temporal de algunos de los gases y de los aerosoles resulta difícil establecer modelos generales para cuantificar su impacto real en una imagen. Existen tres tipos fundamentales de dispersión:
- Dispersión de Rayleigh. Cuando la longitud de onda es mucho menor que el tamaño de los objetos responsables de la dispersión. Afecta a las longitudes de onda más cortas y causa el color azul del cielo.
- Dispersión de Mie. Cuando la longitud de onda es del mismo orden de magnitud que los objetos dispersores (vapor de agua, polvo y aerosoles). Afecta a todas las longitudes de onda del espectro visible.
- Dispersión no selectiva. Cuando la longitud de onda es mucho menor que los objetos y la producen gotas de agua en la atmósfera (niebla o nubes) (Pérez Gutiérrez y Muñoz Nieto, 2006).
La radiación que incide sobre una superficie directamente del Sol, sin sufrir cambios de dirección, se denomina "radiación directa". La radiación que llega tras ser reflejada, o incluso la radiación infrarroja emitida por las moléculas después de sufrir un calentamiento por efecto de absorción de radiación solar, se denomina "radiación difusa".
La radiación solar a ras de la superficie terrestre nos llegaría de forma directa, ya que llega hasta nosotros/as sin sufrir desviaciones. Mientras nos alejamos, diferentes elementos interfieren con ella, llegando a difundirse. La suma de estas dos radiaciones en un plano horizontal se denomina “reacción global”. La radiación difusa puede oscilar entre un 20% sobre el global en un día claro y un 100% en un día nublado.
La emisión tratará de estimar la temperatura de la superficie terrestre. El problema reside, no obstante, en que los datos que llegan al satélite incluyen tanto la emisión de la superficie terrestre como de las diferentes capas de la atmósfera. Por ello, resulta difícil distinguir un efecto del otro. Actualmente, se están haciendo avances significativos para tratar de distinguirlos. Por ejemplo, se utilizan modelos heurísticos de equilibrio radiativo sencillos para determinar la temperatura de emisión promedio global de la superficie del planeta. Un modelo heurístico es un esquema teórico de un sistema que se elabora para facilitar el estudio y comprensión del mismo. Estos modelos son denominados como “de equilibrio radiativo” porque no van a considerar la existencia de flujos de energía no radiativa (como los flujos de calor latente y sensible).
La temperatura promedio global de la superficie del planeta es de 15 ºC. Esta temperatura se ha mantenido más o menos constante a lo largo del tiempo. De esto se deriva que la misma cantidad de energía que por unidad de tiempo y de superficie llega a la Tierra tiene que ser emitida por esta. En caso contrario, si la energía total que llega es mayor o menor que la que el planeta emite, entonces la tierra se calienta o se enfría, respectivamente. Para que la temperatura promedio global del planeta se siga manteniendo constante, se debe cumplir:
Este balance de energía se establece entre la energía radiante emitida por el Sol e incidente en la superficie del planeta (imagen 30), y la energía emitida en forma de radiación por la superficie de la Tierra (Alonso-Sarría, 2013).
Espectros electromagnéticos del Sol y la Tierra en función de la longitud de onda
- Un cuerpo negro absorbe toda la radiación que le llega y emite toda la radiación posible a la temperatura T que tiene. Toda esta radiación posible que puede emitir un cuerpo negro sigue las leyes de Planck y Stefan-Boltzmann.
- Todo cuerpo negro con una temperatura, T, emite radiación electromagnética y esa emisión no es monocromática, sino que abarca una amplia gama de longitudes de onda dentro del espectro electromagnético (Ley de Planck).
- Tanto la Tierra como el Sol emiten radiación. El Sol [6000 °K (kelvin), 5727 °C (celsius)] emite la mayor parte de su energía en longitudes de onda menores que 1.5µm (imagen 30), con un máximo de emisión en la región del espectro visible alrededor de las 0.5 µm. La Tierra, mucho más fría (288 °K), emite casi toda su energía entre los 5 y 35 µm (imagen 30), con un pico de intensidad máxima en la región del infrarrojo alrededor de las 10 µm.
- El Sol emite en longitudes de onda más cortas (radiación de onda corta), laTierra emite en longitudes de onda más largas que el Sol (radiación de onda larga).
Alonso-Sarría, F. (2013), “Fundamentos de la teledetección”, [en línea], subapartados 2.1, 2.2 y 2.3. Universidad de Murcia, Murcia. Disponible en <https://www.um.es/geograf/sigmur/temariohtml/>
1.4.2. Interacciones con los elementos de la cubierta terrestre
Para la identificación de objetos y procesos en la superficie terrestre necesitamos conocer la reflectividad de estos objetos respecto a las diferentes longitudes de onda. Cada tipo de material, suelo, vegetación, agua, etc., va a reflejar la radiación incidente de forma específica, lo que permite distinguirlo del resto. En el gráfico siguiente (imagen 31) puede observarse la reflectividad de los objetos (conocida como "signatura espacial" o "firma espectral") para cada longitud de onda. De este modo, pueden distinguirse, por ejemplo, distintos tipos de suelo o vegetación (Alonso-Sarría, 2013).
Respuestas espectrales de los objetos de la superficie terrestre
Fuente: Universidad de Murcia. Apuntes de teledetección. <https://www.um.es/geograf/sigmur/teledet/tema02.pdf>
En la imagen anterior (31) se muestran también las bandas del sensor TM de Landsat. Estas determinan los valores medios de reflectividad que va a obtener este sensor para las diferentes superficies. En el caso de la radiación visible, las diferencias de reflectividad para las distintas longitudes de onda conforman lo que llamamos colores. Por ejemplo, un objeto es verde si refleja la radiación solar mayoritariamente en esta zona del espectro (Alonso-Sarría, 2013).
Comportamientos espectrales de distintos materiales
Fuente: Centro Nacional de Información y Comunicación Educativa, España (CNICE). <https://concurso.cnice.mec.es/cnice2006/material121/unidad1/firma_es.htm#>
Poniendo de ejemplo los comportamientos espectrales de diferentes elementos de la superficie terrestre, observamos que el gráfico de la imagen 32 muestra las diferencias de respuesta espectral de distintos tipos de vegetación, del agua y del asfalto. Las bandas del satélite Landsat están superpuestas. De esta forma, puede calcularse cuáles serán los valores medios de reflectividad que va a obtener el sensor del satélite Landsat para las diferentes superficies.
- La firma espectral es la medida cuantitativa de las propiedades espectrales de un objeto en una o varias bandas espectrales.
- Se la conoce, también, como comportamiento espectral. Este concepto tiene en cuenta la variabilidad temporal de las signaturas espectrales, así como su variación en función de las condiciones meteorológicas, de las estaciones del año y de las condiciones de iluminación.
No obstante, el flujo de energía que recibe el sensor dependerá de otros factores más allá de la reflectividad de la cubierta terrestre. Estos son:
- Las condiciones atmosféricas
- La pendiente y orientación del terreno
- La geometría de la observación
Existen dos tipos de superficies: las que reflejan la radiación solar direccionalmente con un ángulo igual al ángulo incidente (superficies especulares) y las que reflejan la radiación hacia todas direcciones (superficies lambertianas) (imagen 33). En el medio natural, la mayor parte de la superficie tiende a comportarse de un modo intermedio, aunque suele asumirse que el comportamiento es lambertiano. En el espectro visible tan solo el agua en calma presenta un carácter especular (Alonso-Sarría, 2013).
Tipos de superficies en cuanto a la reflexión
Fuente: Universidad de Murcia. Apuntes de teledetección. <https://www.um.es/geograf/sigmur/teledet/tema02.pdf>
El efecto combinado del comportamiento lambertiano de las superficies con la dispersión atmosférica produce una imagen más borrosa de la que se contemplaría directamente sobre la superficie terrestre. La razón es que las respuestas espectrales de pixeles contiguos se contaminan unas a otras (Alonso-Sarría, 2013).
Reflexión especular en una superficie marina. Isla de Creta
Fuente: Imágenes de NASA cortesía LANCE / EOSDIS MODIS Rapid Response Team, GSFC. Leyenda por Adam Voiland. <https://www.tiempo.com/ram/102062/la-ciencia-del-reflejo-especular/>
Respuesta espectral del agua
La respuesta espectral del agua dependerá, principalmente, de su pureza y de la presencia de diferentes partículas en suspensión (aluviones, algas...) (imagen 35). El agua pura tiene excelentes propiedades en relación con la transmisión de la radiación electromagnética en el espectro visible y de absorción en el infrarrojo. No obstante, la reflectancia presentará un pico en el verde, que irá reduciéndose hasta el infrarrojo. Esta falta de reflectividad en el infrarrojo es fundamental para distinguir entre áreas de tierra y agua tanto en costas como en lagos o ríos. Al aumentar la profundidad del agua, la reflectancia disminuye en cualquier longitud de onda (Alonso-Sarría, 2013).
Reflectividad del agua
Fuente: IAFE Conicet. <https://files.especializacion-tig.webnode.com/200000032-25950268dd/5.-Firmas%20espectrales.pdf>
La reflectancia aportará información fundamental sobre el agua en tres aspectos principales: especular, del fondo y del volumen de agua (contiene información sobre la calidad del agua). De este modo, el carácter tridimensional de las superficies acuosas hace que en su respuesta espectral aparezca un componente relacionado con la superficie, otro con la columna de agua y un tercero con el fondo (imagen 36). Por consiguiente, variaciones tanto en la columna de agua como en los materiales del fondo van a alterar la respuesta. Por ejemplo, un fondo de arena clara proporcionará una mayor reflectancia que un fondo compuesto por materia orgánica en descomposición. La profundidad a la que la luz puede penetrar depende de la longitud de onda. En el agua clara, la profundidad de penetración son 10 m entre 0.5 y 0.6 µ, disminuyendo hasta 10 cm en 0.8-1.1 µ. Siguiendo esta lógica, al incrementarse la profundidad del agua, la reflectancia, en cualquier longitud de onda, desciende (Pérez Gutiérrez y Muñoz Nieto, 2006).
Firma espectral del agua
Para el agua clara, la reflectancia es baja en el espectro visible y desaparece en los infrarrojos.
La transmitancia es significativa en el espectro visible, pero disminuye en los infrarrojos, donde va a dominar la absorbancia.
Cuando el agua presenta turbidez, las consecuencias sobre la respuesta espectral dependerán de las diferentes partículas en suspensión. Si se trata de clorofila (imagen 37), a medida que aumenta su concentración en el agua (por presencia de algas, fitoplancton) surgen importantes alteraciones en el verde (aumenta) y en el azul (disminuye).
Presencia de clorofila en el agua
* La columna gris señala el “hingepoint”, punto de cruce de concentraciones de clorofila de distinta magnitud (510-520 nm).
Si se trata de sedimentos inorgánicos, la reflectividad aumenta, especialmente en el rojo (imagen 38). Así, el pico de reflectancia se desplaza hacia longitudes de onda más altas cuanto mayor es la turbiedad. En relación con la reflectancia en volumen, en el agua clara es muy baja, pero en el agua turbia la reflectancia solar aumenta notablemente.
Turbiedad en el agua
La reflectividad en la nieve es completamente diferente a la del agua; posee un comportamiento altamente reflectivo en la sección visible del espectro electromagnético que va disminuyendo de forma notable hacia el infrarrojo cercano (imagen 39). Los factores que afectan este comportamiento son, entre otros, su grado de compactación, el tamaño de los cristales y el grado de pureza (Pérez Gutiérrez y Muñoz Nieto, 2006).
Comportamiento espectral de la nieve
Fuente: Hernandez (2011).
- Es posible delinear cuerpos de agua utilizando las longitudes de onda del IR (separar agua de tierra).
- La presencia de clorofila en el agua eleva la reflectancia en el verde y permite el monitoreo de algas y de concentraciones de algas en aguas poco profundas.
- El comportamiento espectral del agua es influido por la presencia de arena, barro, rocas en el fondo, material inorgánico en suspensión o clorofila, entre otros.
- La reflectancia de agua clara es menor a la de agua contaminada; esta, a su vez, es menor a la del agua con sedimentos.
- La reflectancia en la nieve es muy alta en todas las longitudes de onda.
Respuesta espectral de la vegetación
Las propiedades reflectivas de la vegetación dependerán de tres tipos de variables: a) de la estructura de la cubierta vegetal (fundamentalmente caracterizada por su índice foliar, por la orientación de las hojas y por su distribución y tamaño); b) de las propiedades ópticas de los elementos reflectantes (tallos, hojas, flores y frutos); c) de la geometría de la observación (determinada por la orientación relativa entre el Sol y la superficie y por la situación del sensor con respecto a esta última) (Baret y Andrieu, 1993; Manzano y Manzano, 2004).
Aunque son las hojas, principalmente, las responsables de la respuesta espectral de las cubiertas vegetales, en algunas ocasiones influyen notablemente los tallos, las flores y los frutos, cuyas proporciones determinarán la signatura espectral de la cubierta. Como sucede en cualquier superficie parcialmente lambertiana, la radiación incidente es en parte reflejada especularmente y en parte dispersada (imagen 40). La responsable de la reflexión especular de la vegetación es la cutícula que cubre las hojas. La luz no reflejada penetra en el interior de la hoja y es sucesivamente refractada, reflejada y difractada. Como resultado, la radiación emergente tiene un carácter difuso (imagen 41). Esta dispersión depende de la propia estructura de la hoja, de la composición de sus células y su grado de humedad (Ormeño, 2006).
Firma espectral de vegetación vigorosa
Fuente: Wikiagro.
Comportamiento espectral de determinadas cubiertas vegetales
Fuente: Hernández (2011).
Como puede observarse en los gráficos de las imágenes 40 y 41, la firma espectral de una masa de hojas permite conocer que:
- En el intervalo visible-infrarrojo medio, las hojas muestran tres zonas diferenciadas: una en el visible (0.4-0.7 mm) de baja reflectancia, otra en el infrarrojo próximo (0,7-1,3 mm) de reflectancia alta y otra en el infrarrojo medio (1.3-2.5 mm) donde la reflectancia desciende progresivamente.
- En el visible, la reflectancia de las hojas no supera el 15 % y la transmitancia es también baja. Esto es consecuencia de las fuertes bandas de absorción que los pigmentos fotosintéticos (clorofilas, xantofila, antocianinas y carotenos) tienen en este intervalo espectral. Entre ellos, las clorofilas a y b (las más absorbentes con un 65 % del total) presentan dos bandas de absorción centradas en el azul y en el rojo produciendo un máximo relativo en la firma espectral en torno a los 0.55 mm, responsable del color verde de las hojas.
- En el infrarrojo próximo las hojas presentan alta reflectancia (alrededor del 50 %). De la energía restante, la mayor parte es transmitida, ya que la absorbancia es solo del 10 %. Puede considerársele prácticamente transparente en esta región del espectro. Es necesario tener en cuenta que la energía transmitida podrá ser interceptada por otra hoja, será reflejada con mayor probabilidad y así sucesivamente.
- En el infrarrojo medio, la presencia de agua en las hojas produce tres fuertes bandas de absorción en la firma espectral resultante, al igual que ocurre con los suelos: 1.4, 1.9 y 2.5 mm. El agua en los tejidos vegetales absorbe la radiación en diversas longitudes de onda hasta alcanzar valores de α = 0.9 que afectan incluso a las longitudes de onda vecinas de aquellas en las que se produce máxima absorción (Ormeño, 2006).
Respuesta espectral del suelo
El comportamiento espectral del suelo (imagen 42) es relativamente sencillo: toda la energía se absorbe o refleja, ya que la transmisión es nula. La reflectividad es relativamente baja en todas las bandas aunque va aumentando hacia el infrarrojo. Cuanto mayor es el contenido de agua, mayor es la reflectividad, excepto en las regiones en las que el agua absorbe energía; por tanto, cuanto mayor sea el contenido de agua en el suelo, mayor será la disminución en reflectividad de estas regiones (Scanvic, 1989).
Otro elemento que afectará la respuesta espectral del suelo es su textura. Existe una mayor reflectividad cuanto mayor es el tamaño medio de las partículas de suelo (los suelos arenosos tienen mayor reflectividad que los arcillosos). Sin embargo, hay que tener en cuenta que la textura afecta también el contenido de humedad, por lo que no resulta fácil diferenciar entre ambos elementos con imágenes de satélite. Por ejemplo, los minerales de la arcilla tienen una disminución de la reflectividad en torno a 2.2 µ, reducción que no tienen las arenas.
El contenido en materia orgánica también afecta a la reflectividad. Cuanto mayor sea el contenido de la misma en el suelo y cuanto menos descompuesta se encuentre, el suelo se presentará más oscuro, con una menor reflectividad (Manzano y Manzano, 2004).
Comportamiento espectral de algunos tipos de suelo
Fuente: Hernández (2011).
La composición química y mineralógica también influirá en la respuesta espectral. En general, el comportamiento de los minerales está asociado a su color (imagen 43). Así, los minerales blancos presentan una reflectancia muy fuerte y, por el contrario, los minerales oscuros son muy absorbentes y reflejan poca luz en toda la extensión del espectro. Las micas, por su parte, tienen baja reflectancia, particularmente la biotita, una mica negra que presenta una absorción cercana al 95 % (Scanvic, 1989). Por ejemplo, el contenido en óxidos de hierro incrementará la reflectividad en el rojo. La fuerte correlación entre muchos de los factores que influyen sobre la respuesta espectral del suelo dificulta en gran medida los análisis de una imagen de zonas cuyas características edáficas se desconocen. A pesar de todo, puede observarse que las áreas de suelo desnudo de una misma imagen siguen una serie de pautas reconocibles.
Comportamiento espectral de algunos minerales
Fuente: Hernández (2011).
Respuesta espectral de elementos urbanos de construcción
Los diferentes elementos del ambiente urbano poseen comportamientos espectrales bastante heterogéneos relacionados con su naturaleza y color (imagen 44). Habitualmente, los diferentes tipos de asfaltos y cementos (elementos “calientes”) presentan una gran absorción en la sección térmica del espectro electromagnético (Towers y Von Martini, 2002). La madera, por su parte, presenta variaciones en su comportamiento dependiendo del color y la forma e intensidad con la que fue secada (Ananías y Venegas, 2005).
Comportamiento espectral de algunos materiales de construcción
Fuente: Hernández (2011).
Hernández, J. (2011), “Procesamiento digital de imágenes, Apuntes de Clases”, [en línea], pp. 1-34. Actualización del capítulo "Percepción Remota" en Hernández, J., de la Maza, C. y Estades, C. (eds.) (2007), Manejo y Conservación de Recursos Forestales. Serie Biodiversidad. Editorial Universitaria, Santiago de Chile, Facultad de Ciencias Forestales y de la Conservación de la Naturaleza, Universidad de Chile, Santiago. Disponible en <https://www.gep.uchile.cl/Publicaciones/Tratamiento%20Digital%20de%20Im%C3%A1genes%20-%20Jaime%20Hern%C3%A1ndez%202011.pdf>
1.4.3. Utilización en imágenes multiespectrales
Se denomina clasificación al reconocimiento de distintos tipos de coberturas a través de programas informáticos, en función de sus características espectrales. El objetivo general de la clasificación es asignar un conjunto de píxeles u objetos en la imagen digital a un conjunto de clases predefinidas (por ejemplo: tipo de vegetación, suelo desnudo, nieve, zonas urbanas, zonas rurales, etc.). Desde esta perspectiva, la clasificación puede ser vista como un proceso de etiquetación de píxeles u objetos que presentan un patrón espectral similar (imagen 45). Para ello, se generará una especie de clave de identificación (firma espectral de referencia) con la que se compara la firma espectral que se va a clasificar y se etiqueta con el nombre de aquella con la que tenga más características en común (Hernández, 2011).
Los patrones espectrales a clasificar son obtenidos de las imágenes teledetectadas de acuerdo con dos enfoques básicos: i) píxel a píxel, ii) orientado a objetos. Tradicionalmente, y en especial para imágenes de resolución espacial moderada, por ejemplo, Landsat TM / ETM+, Spot HRV o ASTER, la clasificación opera para patrones espectrales asociados a píxeles. Para ello, dado un píxel cualquiera, se obtiene su firma espectral a través de los niveles digitales que presenta en todas las bandas de la imagen multiespectral […] En cambio, cuando se trabaja con imágenes de alta resolución espacial, por ejemplo, QuickBird o Ikonos, es conveniente segmentar la imagen previamente y luego extraer la firma espectral “promedio” del objeto a clasificar […]. (Hernández, 2011: 12)
Obtención de firmas espectrales en imágenes teledetectadas para su clasificación, asociadas a píxeles individuales (A) o a objetos obtenidos a través de segmentaciones previas (B)
Fuente: Hernández (2011).
La firma espectral de referencia debe ser definida para todas las clases que se desea identificar y existen dos formas de obtenerlas: a) a través de librerías espectrales públicas (opción no siempre factible por la especificidad regional o nacional de algunos materiales); o b) mediante los datos contenidos en la propia imagen. Este enfoque asume que en la imagen que se va a clasificar se pueden distinguir píxeles que corresponden a algunas de las clases que interesa clasificar. Para ello, es imprescindible realizar un proceso de entrenamiento de los algoritmos de clasificación usando estos píxeles de muestra para formar las firmas espectrales que serán utilizadas como referencia (imagen 45). Existen dos enfoques para lo anterior: supervisado y no supervisado.
Los sistemas de clasificación supervisados son aquellos en los que, a partir de un conjunto de ejemplos clasificados (conjunto de entrenamiento), se trata de asignar una clasificación a un segundo conjunto de ejemplos. Por el contrario, los sistemas de clasificación no supervisados son aquellos en los que no se dispone de una batería de ejemplos previamente clasificados, sino que únicamente a partir de las propiedades de los ejemplos intentamos dar una agrupación (clasificación, clustering) de los ejemplos según su similaridad.
En relación con los temas expuestos, responda brevemente las siguientes preguntas:
- Nuestros ojos, ¿a qué forma de energía radiante son sensibles?
- ¿Por qué se dice que todas las radiaciones electromagnéticas se comportan igual que la luz?
- ¿Qué causa que las ondas luminosas tengan diferentes colores?
- ¿Cuáles son los componentes de una onda?
- ¿A qué nos referimos con espectro electromagnético?
- ¿Para qué pueden usarse las ondas electromagnéticas en medicina?
- ¿Qué propiedades tienen las ondas radar?
1.5. Práctica 1. EarthQuest, GeoQuest y aventura didáctica
Entre en la web del Ministerio de Educación, Cultura y Deporte de España y lea atentamente lo que son las EarthQuest, GeoQuest y aventuras didácticas. <https://www.ite.educacion.es/formacion/materiales/59/cd/modulo_6/earthquest.html>
Siga los pasos que se indican para instalar Google Earth y familiarizarse con las opciones del programa. Cree contenido sobre un lugar en Argentina, guarde y descargue el archivo.
“Jugar” una GeoQuest. Complete (siga los pasos) una GeoQuest ya diseñada. En este caso, se propone “La vuelta al mundo en 80 minutos” (Vivancos Martí, 2006) disponible en <https://www.xtec.cat/~jvivanco/80minuts/80minutos.htm> Es imprescindible llevar el cuaderno de ruta para apuntar los resultados de las pruebas.
Diseñar una GeoQuest. Con la guía disponible en el siguiente enlace, diseñe una GeoQuest sencilla donde interaccionen elementos de teledetección vistos hasta ahora (desde sensores hasta coberturas vegetales o elementos urbanos) para ser compartida con el resto de los estudiantes. <https://www.ite.educacion.es/formacion/materiales/59/cd/modulo_6/geoquest.htm>