2. Sistemas espaciales de teledetección

Sensores pasivos (sistemas fotográficos, radiómetros multi e hiperespectrales, espectrómetros de imagen)

Dentro de los sensores pasivos encontramos los sensores fotográficos, óptico-electrónicos –que combinan una óptica similar a la fotográfica y un sistema de detección electrónica (detectores de barrido y empuje)–, espectrómetros de imagen y de antena (radiómetros de microondas).

Sensores fotográficos. El sensor más común es la cámara fotográfica. A lo largo de la historia de la teledetección, muchos de sus avances han estado directamente relacionados con el desarrollo de sistemas fotográficos. Las cámaras son similares en diseño al ojo humano. Ambos tienen una lente en un extremo de una cámara cerrada y un material sensible a la luz (película en una cámara, retina en un ojo humano) en el otro. En ambos se utiliza un iris para controlar la cantidad de luz que puede golpear la película/retina. Hay tres elementos básicos de los sistemas fotográficos: óptica, película y filtros. La óptica se refiere a las lentes y la geometría de la recuperación de luz en una cámara. Las lentes de una cámara son responsables de enfocar un objeto. En una cámara, se coloca un obturador entre la lente y la película para controlar cuánto tiempo puede la luz golpear la película. Es posible colocar filtros delante de una lente para restringir la longitud de onda de la luz que golpea la película. Antes de que la luz reflejada de un objeto golpee la película, debe pasar a través de una o más lentes. Para minimizar las distorsiones asociadas con el uso de lentes individuales, la mayoría de las lentes de cámara están compuestas de múltiples lentes que funcionan en conjunto para formar una imagen en la película (Chuvieco, 1995: 98).

La cantidad de detalle de la imagen que se puede grabar en la película está directamente relacionada con la distancia entre la lente y la película, esto se conoce como distancia focal. A medida que aumenta la distancia focal, aumenta el detalle que se puede ver en la película. El aumento de la distancia focal se denomina comúnmente zoom sobre un objeto. La película fotográfica en una cámara se utiliza para grabar la imagen que pasa a través de la lente y está compuesta de una base compacta recubierta con una capa sensible a la luz conocida como emulsión. Durante el breve periodo que un obturador está abierto, la luz golpea la película y deja una imagen latente en la emulsión. Esta imagen puede hacerse visible mediante el proceso de revelado e impresión. Las emulsiones están hechas de materiales sensibles a regiones particulares del espectro electromagnético (CCPO, 2003; NASA, 2018).

La velocidad de la película es otra cualidad de las emulsiones que es importante en la fotografía aérea. Refiere a la cantidad de luz que se necesita para exponer la emulsión. La película rápida requiere menos luz que la película lenta para grabar la misma imagen. En este sentido, si la plataforma de la cámara se está moviendo, es deseable usar una película de alta velocidad para reducir los efectos de desenfoque por el desplazamiento de la cámara. Desafortunadamente, existe un equilibrio entre la velocidad de la película y la calidad de la imagen: cuanto más rápida es la primera más granulada (de peor calidad) es la imagen. Debido a esto es necesario elegir una velocidadN que cumpla con los requisitos del usuario final (CCPO, 2003; NASA, 2018).

En muchas aplicaciones de detección remota es importante restringir la luz que entra a la cámara mediante el uso de filtros. Los filtros de color funcionan absorbiendo un rango de longitudes de onda mientras permiten que otras longitudes de onda los atraviesen. Otro tipo, conocido como filtro de color neutro, no altera la composición espectral de la luz, sino que reduce la cantidad de luz de todas las longitudes de onda que pasan. Quizás el filtro de color más común es el filtro anti-Haze, transparente o amarillo, que absorbe las longitudes de onda azules y ultravioletas más cortas que se dispersan sustancialmente por las partículas en la atmósfera. Otro de los usados con frecuencia para monitorear la vegetación es un filtro infrarrojo, que absorbe la luz visible y solo permite que la luz infrarroja pase a través de él (CCPO, 2003; NASA, 2018).

La fotografía aérea es una de las formas más antiguas de teledetección remota y todavía se usa ampliamente en la actualidad. Por lo general, es la opción más utilizada si se necesitan grandes detalles espaciales.

En un sistema óptico-electrónico, la radiación recibida por los componentes ópticos se descompone en varias longitudes de onda. Cada una de ellas se envía a un conjunto de detectores sensibles a esa región del espectro, los que la amplifican y la convierten, primero, en señal eléctrica y, finalmente, en un valor numérico conocido como nivel digital (ND). Existen dos grandes tipos de sistemas óptico-electrónicos: los radiómetros de barrido y los radiómetros de empuje (imagen 54).

Los radiómetros de barrido son los más habituales en teledetección. Disponen de un espejo móvil que oscila perpendicularmente a la dirección de la trayectoria y que permite explorar una franja de terreno a ambos lados de esta. Cada movimiento del espejo envía información de una franja distinta al conjunto de sensores. Por su parte, los radiómetros de empuje eliminan el espejo oscilante al disponer de una cadena con un gran número de detectores con los que se cubre todo el campo visual del sensor. Esto permite aumentar la resolución espacial y reducir los errores geométricos, ya que se ha eliminado la parte móvil de los detectores de barrido. No obstante, la calibración de todos los sensores al mismo tiempo para que se comporten de forma homogénea es una tarea excesivamente compleja. Estos problemas son especialmente graves para captar el espectro infrarrojo. Sin embargo, los avances tecnológicos están cada vez más cerca de fabricar sensores capaces de captar toda la imagen al mismo tiempo, como una matriz bidimensional, para poder eliminar los errores geométricos (imagen 55) (CCPO, 2003; Chuvieco, 1995; NASA, 2018).

Los espectrómetros de imagen conforman una nueva generación de instrumentos cuyo objetivo es obtener imágenes en un gran número de bandas espectrales (entre 64 y 200 bandas a intervalos de 10-20 nm) obteniendo así un espectro casi continuo de radiación. Para obtener imágenes de alta resolución espacial se utilizan espectrómetros aerotransportados como el sensor Aviris (Airbone Visible/Infra-Red Imaging Spectrometer) con 210 bandas entre 0.4 y 2.4 µm y 20 m de resolución espacial (imágenes 56 y 57) (CCPO, 2003; Pérez Martínez, 2011).

Los radiómetros electro-ópticos son instrumentos diseñados para medir la intensidad de la radiación electromagnética en un conjunto de bandas de ondas que van desde la longitud de onda ultravioleta hasta la de microondas. Se denominan sensores electro-ópticos porque miden la energía electromagnética utilizando técnicas ópticas y detectores electrónicos (Pérez Martínez, 2011). Aunque solo son capaces de registrar un único valor de datos para su área de visualización, si se insertan en un dispositivo de escáner pueden producir imágenes. Los radiómetros son similares en diseño a una cámara que conserva una abertura para que entre la luz y tiene lentes y espejos, pero en lugar de una película tiene un detector electrónico para registrar la intensidad de la energía electromagnética. A medida que la energía llega al detector, una señal proporcional a la radiación entrante se procesa hacia una salida digital o analógica que se puede grabar. Se han ideado detectores para radiómetros destinados a medir longitudes de onda de 0.4 a 14 um. Aunque algunos radiómetros pueden detectar este rango completo de longitudes de onda, la mayoría solo mide las bandas de onda seleccionadas dentro de este rango (CCPO, 2003; NASA, 2018; Pérez Martínez, 2011).

Los radiómetros que miden más de una banda de onda se llaman radiómetros multiespectrales. Para este tipo de radiómetro, la luz debe estar separada en bandas de ondas discretas para que se puedan tomar múltiples lecturas de banda de ondas o multicanal. Esta separación se puede hacer usando filtros, prismas u otras técnicas sofisticadas. Los radiómetros sin imágenes se utilizan comúnmente como herramientas de investigación para comprender mejor cómo la luz interactúa con los objetos, para la caracterización espectral de una variedad de superficies y para las mediciones atmosféricas. Otro uso común es medir la cantidad y calidad de la energía solar. Estas mediciones se pueden utilizar a su vez para corregir otras mediciones de imagen y sin imagen para los efectos atmosféricos (Chuvieco, 1995; Pérez Martínez, 2011).

Los radiómetros de microondas (espectómetros de antena) se basan en un tipo de radiómetro que detecta las longitudes de onda en la región de microondas del espectro. Los componentes de un radiómetro de microondas son una antena, un receptor y un dispositivo de grabación (imagen 58). La energía de microondas emitida desde la superficie de la Tierra es recogida por una antena, convertida en una señal por un receptor y registrada en un grabador. En este tipo de sistemas, la resolución espacial es inversamente proporcional al diámetro de la antena y directamente proporcional a la longitud de onda. Asimismo, se necesitan tamaños de píxel lo suficientemente grandes para recoger una señal de radiación amplia. La resolución espacial de los radiómetros de microondas es pequeña y solo pueden aplicarse en estudios globales (CCPO, 2003; Pérez Martínez, 2011).

Las características de la energía electromagnética medida por los radiómetros de microondas son la polaridad, la longitud de onda y la intensidad. Estas propiedades proporcionan información útil sobre la estructura y composición de un objeto. La mayoría de las aplicaciones de los radiómetros de microondas pasivos se encuentran en los campos de la investigación atmosférica y oceanográfica (imagen 58). También ha demostrado ser una herramienta eficaz para medir la humedad del suelo, un parámetro importante en el estudio de la vegetación (CCPO, 2003; Pérez Martínez, 2011).

Finalmente, existen los sistemas de imagen térmica, infrarroja y visible. Es posible crear un sensor que pueda adquirir una imagen 2D de un área combinando varios detectores o radiómetros en conjuntos de detectores. Hay tres diseños básicos para los sensores de imagen: frame, pushbroom y line scanner (imagen 59).

Esta categoría de sensores (sistemas de imágenes pasivas visibles, infrarrojas y térmicas) contiene numerosos instrumentos que se han implementado en una amplia variedad de plataformas y se han utilizado para muchas aplicaciones. La mayoría de los sistemas de imágenes modernos son multiespectrales (adquisición de datos para más de un área espectral limitada). La grabación de cada muestreo espectral discreto se conoce como una banda o canal de imagen. Usando técnicas de procesamiento de imágenes, se pueden combinar múltiples (generalmente tres) bandas seleccionadas de una base de datos de imágenes multiespectrales para crear una imagen compuesta de un solo color (imágenes 60 y 61).

Los sensores pasivos son el tipo de sensor más común para la detección remota relacionada con la vegetación. Esto no solo se debe a que los sistemas de sensores pasivos, generalmente, tienen un diseño más simple (construido solo para recibir energía), sino también porque algunas partes del espectro solar proporcionan información muy útil para monitorear las propiedades de la planta y el dosel forestal.

Una limitación importante de los sistemas pasivos es que, en la mayoría de los casos, requieren luz solar para poder adquirir datos válidos y útiles. En consecuencia, el despliegue o la adquisición de datos por sensores pasivos depende en gran medida de la iluminación (hora del día, hora del año, latitud) y las condiciones climáticas, ya que la cubierta de nubes puede interferir con la trayectoria de la radiación del Sol a la superficie y luego al sensor. Las señales detectadas por los sensores pasivos se pueden alterar en gran medida debido a los efectos atmosféricos, especialmente en las longitudes de onda más cortas del espectro solar que están muy dispersas por la atmósfera. Estos efectos se pueden minimizar (pero no eliminar) mediante la recopilación de datos solo en condiciones atmosféricas muy claras y secas. En la actualidad, existen sofisticadas rutinas de corrección atmosférica para eliminar los efectos atmosféricos de los datos adquiridos por los sensores pasivos (CCPO, 2003; Pérez Martínez, 2011).

Sensores activos (radar, lidar)

La mayoría de los sensores activos operan en la porción de microondas del espectro electromagnético, lo que les permite superar las condiciones atmosféricas la mayor parte del tiempo. Estos sensores poseen una técnica activa que “ve” el objetivo desde cualquier extremo de una línea base de longitud conocida. El cambio en la dirección de vista aparente (paralaje)N está relacionado con la distancia absoluta entre el instrumento y el objetivo (imagen 62). Existen dos tipos principales de sensores activos: radar y lidar.

El radar es un sensor de alcance y detección de radio activo que proporciona su propia fuente de energía electromagnética. De este modo, no requiere iluminación solar de las superficies o de unas condiciones climáticas perfectas para recopilar datos útiles. Por ello, puede implementarse por la noche o en condiciones de bruma, nubes o lluvia ligera (dependiendo de la longitud de onda del sistema).

Un sensor de radar activo, ya sea aéreo o espacial, emite radiación de microondas en una serie de pulsos desde una antena. Cuando la energía alcanza el objetivo, parte de la energía se refleja, de vuelta, hacia el sensor (imagen 63). Esta radiación de microondas retrodispersada se puede detectar, medir y cronometrar. El tiempo requerido para que la energía viaje al objetivo y regrese al sensor determina la distancia o el alcance del objetivo. Al registrar el rango y la magnitud de la energía reflejada desde todos los objetivos a medida que el sistema pasa, se puede producir una imagen bidimensional (imagen 64) de la superficie (CCPO, 2003; NASA, 2018).

Las características de transmisión del radar dependen de la longitud de onda y la polarización del pulso de energía. Las bandas de longitud de onda comunes utilizadas en la transmisión de impulsos son la banda KN (11-16.7 mm), la banda X (24-37.5 mm) y la banda L (150-300 mm). Distinta de la longitud de onda es la polarización de la energía transmitida. Los pulsos se pueden transmitir o recibir en un plano de polarización H (horizontal) o V (vertical). Los factores que determinan la intensidad de una señal de retorno de radar son complejos y variados; sin embargo, los más importantes son los referidos a las propiedades geométricas y eléctricas de la superficie u objeto que refleja la señal. El radar detecta información sobre la estructura y composición de los objetos y superficies. Se ha utilizado en varios campos, incluidos los estudios de geología, nieve y hielo, oceanografía, agricultura y vegetación (CCPO, 2003; NASA, 2018).

Los sistemas lidar (detección y alcance de luz) utilizan la luz láser como fuente de iluminación (amplificación de luz por emisión de radiación estimulada), un radar para transmitir un pulso de luz y un receptor con detectores sensibles para medir la luz retrodispersada o reflejada. El láser emite un breve pulso de luz y un detector recibe la energía de la luz (fotones) después de que un objeto o superficie la haya reflejado, absorbido y remitido. Los sistemas lidar emiten pulsos a longitudes de onda específicas y estrechas que dependen del tipo de transmisor láser utilizado. El rango de longitudes de onda posible es de aproximadamente 0.3 a 1.5 um, que cubre el espectro espectral ultravioleta a través del infrarrojo cercano. Los sistemas lidar más simples miden el tiempo de viaje de ida y vuelta de un pulso láser, que está directamente relacionado con la distancia entre el sensor y el objetivo. La distancia al objeto se determina al registrar el tiempo entre los pulsos transmitidos y retrodispersados y al utilizar la velocidad de la luz para calcular la distancia recorrida. Los lidar de medición de distancia básica a menudo se conocen como telémetros o como altímetros láser si se despliegan en una aeronave o nave espacial. Estos sistemas suelen medir la elevación, la pendiente y la rugosidad de las superficies de tierra, hielo o agua (CCPO, 2003; NASA, 2018).

Los lidars más avanzados miden la intensidad recibida de la luz retrodispersada en función del tiempo de viaje (imagen 67). La intensidad de la señal proporciona información sobre el material que reflejó los fotones.

Estos sistemas lidar de retrodispersión se usan a menudo para aplicaciones de monitoreo atmosférico relacionadas con la detección y caracterización de diversos gases, aerosoles y partículas (imagen 68). Los métodos lidar se han adaptado recientemente para medir la altura de los árboles y la distribución vertical de las capas del dosel arbóreo con gran precisión (imagen 69) (CCPO, 2003; NASA, 2018).

Los sistemas lidar también pueden realizar mediciones de fluorescencia. La fluorescencia se refiere al proceso en el que un material absorbe energía radiante en una longitud de onda y luego la emite en una longitud de onda diferente, sin convertir primero la energía absorbida en energía térmica. Las longitudes de onda en las que se producen la absorción y la emisión son específicas de moléculas particulares. Los datos de fluorescencia pueden identificar y cuantificar la cantidad de plancton y contaminantes en el ambiente marino. La fluorescencia de la hoja también puede ayudar a identificar especies de plantas (imagen 70).

Resolución de los sensores satelitales

La radiación (emitida o reflejada) de la superficie terrestre es un fenómeno continuo presente en cuatro dimensiones (espacio, tiempo, longitud de onda y radiancia). Un sensor debe ser capaz de muestrear este continuo discretizándolo. Salvo en determinadas excepciones, se trabajará con ventanas atmosféricas y se seleccionará aquella combinación de regiones del espectro que mayor información puedan proporcionar sobre los fenómenos que se quieren estudiar. La forma en la que se lleva a cabo esta discretización determina los cuatro tipos de resolución con los que se trabaja en teledetección: resolución espacial (tamaño de píxel), resolución espectral (indica el número y anchura de las regiones del espectro para las cuales capta datos el sensor), resolución radiométrica (número de intervalos de intensidad que pueden captarse) y resolución temporal (tiempo que transcurre entre dos imágenes) (Alonso-Sarría, 2013).

Resolución espacial

Define la capacidad del sistema para distinguir objetos en función de su tamaño. Es decir, la resolución espacial suele interpretarse como el tamaño del objeto más pequeño que puede ser distinguido en una imagen: el tamaño del píxel sobre el terreno. La resolución espacial dependerá de una serie de factores: a) la altura del sensor con respecto a la Tierra, b) el ángulo de visión, c) la velocidad de escaneado y d) las características ópticas del sensor (Pérez Gutiérrez y Muñoz Nieto, 2006).

Como se señalaba anteriormente, la resolución espacial es el tamaño del píxel. En algunos casos se emplea el concepto de IFOV (campo instantáneo de visión), que se define como la sección angular (en radianes) observada en un momento determinado (imagen 71).

\[ d = 2Htan \left( \frac{IFOV}{2} \right) \]

donde d es el tamaño de píxel y H la distancia del sensor a la superficie terrestre.

Actualmente, existe un amplio rango de resoluciones espaciales disponibles en los satélites (imagen 72). Meteosat y los satélites geoestacionarios ofrecen una resolución espacial de 5000 m como consecuencia de su cobertura a escala global de la superficie terrestre, los satélites de la serie NOAA-AVHRR tienen resoluciones que van entre 500 y 1100 m. Landsat TM tiene una resolución espacial de 30x30 m en las bandas 1, 2, 3, 4, 5 y 7 y de 120x120 m en la 6 (térmica). El sensor SPOT-HRV tiene una resolución de 10x10 m. El sensor Ikonos-1 tiene una resolución de 1 m.

Es necesario tener en cuenta la relación entre la resolución espacialN y la escala espacial a la que ocurren los fenómenos que se quieren observar. Entre ambas tiene que darse una buena equivalencia (Pérez Gutiérrez y Muñoz Nieto, 2006).

No obstante, en algunas ocasiones resulta útil contar con un tamaño de píxel más grande, ya que con ello se reduce la variabilidad de categorías. La tabla siguiente recoge la resolución espacial de algunos sensores.

Resolución espectral

La resolución espectral indica el número de canales espectrales (y su ancho de banda) en los que el sensor puede captar radiación electromagnética (imagen 73). En principio, cuantas más bandas incluya un sensor más información podrá obtenerse, ya que cada banda constituye una variable para caracterizar la superficie captada. Por ejemplo, se obtiene más información al tener tres bandas en el visible (rojo, verde, azul) que con una sola banda (fotografía en blanco y negro). En relación con su tamaño, es preferible que estas bandas sean estrechas para que se incremente su capacidad discriminante. Si las bandas son demasiado anchas van a recoger valores promediados que encubrirán elementos de diferenciación. El número de bandas y su localización en el espectro dependerán de los objetivos que se pretendan cubrir con la puesta en funcionamiento del sensor.

Los nuevos sensores, llamados también "espectrómetros" o "hiperespectrales", llegan a tener hasta 256 canales con un ancho de banda muy estrecho (unos pocos nm) para poder separar de forma precisa distintos objetos por su comportamiento espectral (imagen 74).

Las imágenes hiperespectrales permiten ver lo que nuestro ojo humano no ve. Esta cualidad tan especial las convierte en una herramienta muy eficaz para estudiar el cambio climático, detectar agentes contaminantes en aguas, controlar incendios forestales o analizar yacimientos geológicos (imagen 75). Son, además, imágenes de gran tamaño y dimensión, que ocupan mucho espacio de almacenaje (Martín Hernández, 2013).

Resolución temporal 

La resolución temporal indicará el intervalo de tiempo entre cada imagen obtenida por la plataforma. Esta temporalidad es de media hora en el caso de los satélites geosíncronos y variable en el caso de los satélites heliosíncronos (imagen 76). En la actualidad, existen satélites de muy alta resolución espacial con sensores orientables, de forma que la zona sobre la que captan imágenes es relativamente independiente de la posición que ocupe el satélite, con lo que la resolución temporal pasa a ser algo más flexible. Normalmente, a mayor resolución espacial, menor resolución temporal y espectral. No obstante, el problema reside en que al aumentar la resolución se multiplica el volumen de datos que el sensor debe (pre)procesar y enviar a las estaciones en tierra. Por ello, el desarrollo de sensores de orientación modificable ha permitido compatibilizar alta resolución espacial y alta resolución temporal a costa de una toma de imágenes no sistemática (Pérez Gutiérrez y Muñoz Nieto, 2006).

Señalando algunos ejemplos, el ciclo de repetición de los Landsat-1, Landsat-2 y Landsat -3 era de 17 días. A partir del Landsat-4, en 1984, el ciclo de repetición se redujo a 15 días. SPOT tiene un ciclo de repetición de entre 3 y 26 días.

Resolución radiométrica 

La resolución radiométrica se refiere a la sensibilidad del sensor, es decir, la capacidad de discriminar entre pequeñas variaciones en la radiación que capta. Se la llama a veces también "resolución dinámica" (imagen 77). Suele expresarse mediante el número de bits necesarios que se precisan para almacenar cada píxel. Por ejemplo, Landsat-TM utiliza 8 bits lo que da 28=256 niveles de energía (niveles digitales, ND) que pueden ser captados. Landsat MSS, por otro lado, tiene 26=64 niveles de energía en el canal 6. Cuanto mayor sea la precisión radiométrica mayor número de detalles podrán captarse en la imagen.