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Teledetección > Sensores:

Un sistema de percepción remota o Teledetección, requiere por los menos de tres componentes:
foco energético, superficie terrestre y sensor
.
Una de las formas más habituales para clasificar a los sensores remotos es mediante el procedimiento para recibir la energía procedente de las distintas cubiertas. Entre las variadas formas de clasificar los sensores remotos una de las más habituales considera su procedimiento de recibir energía procedente de las distintas cubiertas. En este sentido, se habla de dos tipos de sensores:

Sensores Pasivos : Cuando se limitan a recibir la energía proveniente de un foco exterior a ellos es decir que este tipo de sensores recogen la energía electromagnética procedente de la cubierta terrestre, ya sea reflejada de los rayos solares o emitida debido a su propia temperatura. En función del procedimiento que emplean para recibir la radiación procedente de los objetos, los sensores pasivos se dividen en:
•  Sensores fotográficos : Cámara CCD, cámaras de Vidicon
•  Exploradores de Barrido : Llevan un espejo oscilante que recogen pixel a pixel.
•  Exploradores de Empuje : Recogen línea a línea (HRV, LISS, OPS)
•  Sensores de Antena o Radiómetros de Microondas : Tienen poca resolución espacial. Permiten cartografía zonas heladas
Los primeros resultan muy similares, puesto que se basan en las mismas técnicas aplicadas en la fotografía convencional. El resto son menos conocidos por el gran público, si bien, sistemas similares se utilizan rutinariamente en cámaras de vídeo, equipos de barrido o escáner en exploración médica y radiómetros de microondas en radiodifusión
Sensores Activos : Cuándo son capaces de emitir su propia luz o haz de energía que posteriormente recogen por reflexión sobre la superficie que se pretende observar.
Radar (radiómetro activo de microondas): Trabaja en una banda comprendida entre 0.1cm y 1m. Debido a su flexibilidad, puede trabajar en cualquier tipo de condición atmosférica. Por ello, el radar ha acaparado la atención de la comunidad científica internacional, especialmente en países ecuatoriales, donde son persistentes las masas nubosas. Es bastante utilizado en aplicaciones militares, así como el control de tráfico aéreo. El radar trabaja en la región de las microondas.
Lídar (luz polarizada o láser): Sensor de pulso electromagnético en la longitud de onda entre el ultravioleta y el NIR. Opera en el espectro óptico midiendo distancias entre el emisor en tierra y el satélite y permite estudios de la deriva continental, por ejemplo el LAGEOS.

 

Radiación Electromagnética.

Anteriormente se definió la Teledetección como aquella técnica que nos permite obtener información a distancia de los objetos situados sobre la superficie terrestre. Para que esta observación remota sea posible, es preciso que entre los objetos y el sensor exista algún tipo de interacción.

Nuestros sentidos perciben un objeto sólo cuando pueden descifrar la información que este les envía. Por ejemplo, somos capaces de ver un árbol porque nuestros ojos reciben y traducen convenientemente una energía luminosa procedente del mismo. Esa señal además, no es originada por el árbol, si no por un foco energético exterior que le ilumina. De ahí que no seamos capaces de percibir ese árbol en plena oscuridad. Este sencillo ejemplo nos sirve para introducir los tres principales elementos de cualquier sistema de Teledetección:

•  Sensor (nuestro ojo),
•  Objeto Observado (árbol)
•  Flujo energético que permite poner a ambos en relación

En el caso del ojo, ese flujo procede del objeto por reflexión de la luz solar. Podría también tratarse de un tipo de energía emitida por el propio objeto, o incluso por el sensor.

Éstas son, precisamente, las tres formas de adquirir información a partir de un sensor remoto:

•  Por reflexión
•  Emisión
•  Emisión-reflexión

La primera de ellas es la forma más importante de Teledetección pues se deriva directamente de la luz solar, (principal fuente de energía de nuestro planeta).

El sol ilumina la superficie terrestre, que refleja esa energía en función del tipo de cubierta presente sobre ella. Ese flujo reflejado se recoge por el sensor, que lo trasmite posteriormente a las estaciones receptoras.
Entre superficie y sensor se interpone la atmósfera que dispersa y absorbe parte de la señal original. De igual forma, la observación remota pueda basarse en la energía emitida por la propias cubiertas, o en la que podríamos enviar desde un sensor que fuera capaz, tanto de generar su propio flujo energético, como de recoger posteriormente su reflexión sobre la superficie terrestre. En cualquiera de estos casos, el flujo energético entre la cubierta terrestre y el sensor constituye una forma radiación electromagnética.

Entre el sensor y la superficie terrestre se interpone la atmósfera que interfiere de formas diversas con el flujo radiante. Como es sabido la atmósfera se compone de gases, anhídrido carbónico, oxigeno, ozono, nitrógeno y argón principalmente, admás de vapor de agua y aerosoles.

La energía solar incidente en nuestro planeta está cifrada en 340 Wm2 (vatios/m2). De toda ella, sólo 173 W/m2 llegan a la superficie terrestre, este factor de reducción o ALVEDO habrá de ser tenido en cuenta a la hora de interpretar la respuesta de los objetos. En el trayecto seguido por la radiación electromagnética ésta sufrirá tres fenómenos principales: Absorción, Dispersión, Emisión

Sus efectos se manifiestan en un emborronamiento de la imagen; se reduce el contraste y la cantidad total de radiación que llega al sensor. Existen diversas correcciones en forma de algoritmos para tratar estos efectos.

Entre estos componentes, el anhídrido carbónico, ozono y vapor de agua son los principales responsables de la interacción con la energía electromagnética. Su efecto es triple como ya se menciono anteriormente:

•  absorción: Proceso por el cual las moléculas y partículas de la atmósfera absorben la energía radiante (65 Wm -2 ) y la transforman en energía interna que posteriormente será emitida en el infrarrojo térmico. La atmósfera reduce así la observación espacial a ciertas bandas concretas del espectro, llamadas ventanas atmosféricas. Pero si lo que se pretende es estudiar la atmósfera (satélites meteorológicos), los sensores se diseñarán para captar la radiación precisamente en aquellos lugares donde la absorción atmosférica sea más alta.

•  dispersión: Este fenómeno se traduce en un redireccionamiento o pequeño desvío del camino recto de propagación. Es causado por la interacción entre la radiación y los gases y partículas atmosféricas. La reflexión consiguiente a ese choque, supone un aporte adicional a la radiancia proveniente de la superficie terrestre. Se reduce por tanto la radiancia directa, aumentando la difusa.

•  emisión: Cualquier cuerpo con temperatura mayor que -273 ºK, emite su propia radiación que lógicamente tiene mayor importancia en el infrarrojo térmico. Por tanto, su efecto es fundamental si pretendemos trabajar en dicha banda del infrarrojo térmico. Estos procesos introducen modificaciones, en ocasiones muy severas, en la radiación originalmente propagada entre la cubierta y el sensor.

Absorción atmosférica:
La atmósfera se comporta como un filtro selectivo a distintas longitudes de onda, de tal forma que en algunas bandas del espectro elimina prácticamente cualquier posibilidad de observación remota. Los principales causantes de esta absorción son:
•  Oxígeno atómico (O 2 ) , que filtra las radiaciones ultravioleta por debajo de 0.1mm, así como pequeños sectores en el infrarrojo térmico y las microondas.
•  Ozono (O 3 ), responsable de la eliminación de la energía ultravioleta. inferior a 0.3mm, así como en un sector de las microondas (en torno a 27 mm ).
•  Vapor de agua , con una fuerte absorción en tomo a 6 mm y otras menores entre 0.6 y 2mm.
•  Anhídrido carbónico (CO 2 ), que absorbe en el infrarrojo térmico (15mm), con importantes efectos en el infrarrojo medio, entre 2.5 y 4.5 mm .
Como consecuencia de esta absorción la observación espacial se reduce a determinadas bandas del espectro, conocidas como ventanas atmosféricas. en donde la transmisividad de la atmósfera es suficientemente alta . Las principales ventanas atmosféricas son las siguientes: •  espectro visible e infrarrojo cercano, situada entre 0.3 y 1.35 mm .
•  infrarrojo medio: de 1.5 a 1.8 mm , 2.0 a 2.4 mm , 2.9 a 4.2mm. y 4.5 a 5.5 mm.
•  infrarrojo térmico: entre 8 y 14 mm.
•  microondas: por encima de 20 mm. , en donde la atmósfera es prácticamente transparente.
Estas ventanas atmosféricas son idóneas para realizar procesos de Teledetección, por lo que el diseño de los sensores espaciales tiende a ajustarse a estas bandas, evitando interferencias extrañas al fenómeno que pretende obser­varse, salvo la presencia de nubes, que absorben en todo el espectro óptico. Si se pretende, por el contrario, observar la atmósfera en lugar de la superficie terrestre, los sectores espectrales más convenientes son, precisamente , aquellos en donde la absorción atmosférica es alta. Por esta razón, los satélites meteorológicos incorporan bandas de estas regiones del espectro.

Dispersión Atmosférica:
Es de gran importancia su efecto de absorción puede paliarse simplemente situando las bandas de observación en áreas donde la transmisividad atmosférica sea alta. Por ello, no resulta muy habitual encontrar ese problema en la interpretación de imágenes (salvo en caso de coberturas nubosas. Normalmente evitables gracias a una buena selección de la imagen). Mucho más complejo, sin embargo, es soslayar el efecto de dispersión causada por la atmósfera, presente en mayor o menor grado en cualquier imagen adquirida con sensores remotos.

La dispersión de la radiación electromagnética es causada por interacción entre‚ esta y los gases y partículas atmosféricas en suspensión. La reflexión consiguiente a ese choque supone un aporte adicional a la radiación proveniente de la superficie terrestre (luz atmosférica). En definitiva, se reduce la radiancia directa, aumentándose la difusa. Puesto que las partículas atmosféricas son muy variables en el tiempo y en el espacio, resulta muy complejo cuantificar su influencia final en la imagen adquirida por el sensor. Pese a ello, convendrá tener en cuenta este factor, especialmente cuando se pretenda convertir los valores digitales de la imagen a parámetros Físicos, o se aborden estudios multi-temporales.

Los principales causantes de la dispersión atmosférica son los aerosoles el vapor de agua. Los aerosoles son partículas en suspensión de origen muy diverso: oceánico debidas al movimiento de las aguas, o continental, polvo en suspensión o partículas emitidas por combustión. En función de su origen y características poseen muy variados tamaños, lo que implica distintos tipos de dispersión, ya que, ésta es muy dependiente de su diámetro. De esta forma se habla de dispersión Rayleigh, cuando afecta a longitudes de onda inferiores al diámetro de la partícula; dispersión Mie, cuando se trata de partículas de diámetro similar a la longitud de onda, y de dispersión no selectiva, cuando se menciona las partículas de mayor tamaño.

Dispersión Rayleigh:
Afecta a las longitudes de onda más cortas. Es la más conocida y la de mayor influencia en Teledetección, causante, por ejemplo del color azul del cielo. En fotografía área, es muy claro su efecto por el tono azulado que presentan los fotogramas cuando se realizan, desde cierta altura. Cualquier observador distante puede comprobar este resultado, especialmente en los meses de verano, cuando se difumina el paisaje al divisarlo a largas distancias.

Dispersión Mie:
También dependiente de la longitud de onda, si bien en menor grado que la anterior. Aerosoles y polvo atmosférico son los principales responsables de este tipo de dispersión, aunque también está presente en incendios forestales o en brumas costeras.

Dispersión No Selectiva:
Afecta por igual a diversas longitudes de onda. Por esta razón, las nubes o nieblas tienden a aparecer blancas, ya que dispersan por igual toda la luz visible.

Los procesos de dispersión son muy complejos y difíciles de cuantificar en la imagen resultante. Normalmente no se dispone de datos coetáneos a la adquisición de ésta, por lo que la corrección atmosférica se basa en relaciones entre elementos de la propia imagen. Esta estimación puede ser burda en algunos casos, dificulta, en última instancia el uso de la imágenes adquiridas por sensores espaciales como medida cuantitativa de parámetros biofísicos.

Emisión atmosférica:
El efecto de emisión atmosférica resulta fundamental en el trabajo dentro del infrarrojo térmico si se pretenden obtener mediciones de temperatura a partir de las imágenes espaciales. Al igual que cualquier cuerpo por encima del cero absoluto, la atmósfera emite energía calórica, por lo que ese parámetro debe considerarse por separarlo de la emitancia espectral proveniente del suelo. Esos procesos de corrección atmosférica se han abordado habitualmente, mediante el análisis combinado de la señal captada en dos bandas situadas en el infrarrojo térmico. Son los denominados algoritmos de ventana partida (split window).

 

Comportamiento espectral teórico para los tres elementos fundamentales del paisaje en el dominio óptico:

 

Vegetación vigorosa:
Es especialmente variable, dependiendo de múltiples factores: estado fenológico, forma y contenido en humedad. De manera general se puede decir que presenta una reducida reflectividad en las bandas visibles, con un máximo relativo en la región del verde (0.55 µm). Esto es debido al efecto absorbente de los pigmentos fotosintéticos de las hojas. De entre estos, las hojas contienen clorofila que absorben las longitudes de onda del rojas y azules. Por eso, en vegetación no vigorosa la clorofila no absorbe tanto y la hoja se torna a un color amarillento (verde + rojo).

La estructura celular interna da la elevada reflectividad en el infrarrojo cercano que luego va reduciéndose paulatinamente hacia el infrarrojo medio. Por tanto, el contraste más nítido se presenta entre las bandas visibles (especialmente rojo) y el infrarrojo cercano. Cuanto mayor sea ese contraste, mayor será el vigor de la vegetación.

Estos tres parámetros: cantidad de pigmentos, estructura celular y contenido en agua, manifestados por la respuesta espectral de esa masa de vegetación de la que forman parte, puede servir para discernir entre unas especies y otras, su nivel de desarrollo e incluso entre su estado sanitario.

Agua:
Absorbe o transmite la mayor parte de la radiación visible que recibe. Por tanto presentará una curva espectral plana, baja y de sentido descendente. De todas formas, en aguas poco profundas, la reflectividad aumenta. Los factores que afectan a este comportamiento son: profundidad, contenido en materias en suspensión (clorofila, arcillas y nutrientes) y rugosidad de la superficie (éste último factor extremadamente importante). Por su parte, la nieve ofrece un comportamiento completamente diferente a el del agua, con una reflectividad elevada en las bandas visibles, reduciéndose drásticamente en el infrarrojo cercano.

Suelos:
Muchas veces son invisibles, debido a la vegetación. Para suelos desnudos, comportamiento espectral mucho más uniforme que el de la vegetación. La curva espectral que presentan es bastante plana y de carácter ligeramente ascendente.

El comportamiento espectral del suelo desnudo es mucho más uniforme que el de la vegetación, mostrando una curva espectral bastante plana y de carácter ascendente. Los principales factores que intervienen en este caso son la composición química del suelo, su textura y estructura y el contenido en humedad.

Por ejemplo, un suelo de origen calcáreo tiende al color blanco, indicando alta reflectividad en todas las bandas visibles, mientras que los arcillosos ofrecen una mayor reflectividad en el rojo, como consecuencia de su contenido en óxido de hierro. La reflectividad espectral presenta mayores valores en suelos de textura gruesa, apelmazados, secos y sin materia orgánica. Como ya se ha dicho para la vegetación, el contenido en humedad es uno de los elementos destacados en la reflectividad en longitudes de onda largas (infrarrojo medio) y así suelos con alto contenido en humedad darán una reflectividad baja en esa banda. Cuanto más seco y apelmazado sea un suelo, mayor será su reflectividad.

Comportamiento espectral teórico para los tres elementos fundamentales del paisaje, en el dominio del infrarrojo térmico

Vegetación:
Presenta unas propiedades en general bastante complejas. Como absorbe energía solar durante el día, y la devuelve durante la noche, está más caliente que el aire que la rodea durante la noche, y más fría que su entorno durante el día.

Suelos y agua:
El factor más destacado es su contenido de humedad. A mayor humedad, más frío estará durante el día y más cálido durante la noche, con respecto a los suelos secos. El agua posee la mayor inercia térmica debido a su alta conductividad. Es más difícil que cambie su temperatura.

Sensores Hiperespectrales.

Se llaman Sensores Hiperespectrales a aquellos sensores que son capaces de registrar una gran cantidad de bandas del espectro (normalmente mas de 100) y por tanto generan una imagen “cúbica” con gran cantidad de información.
La captura de la imagen hiperespectral de un objeto permite que el operador realice el análisis espectroscópico de cada elemento de la imagen.

Ventajas de estos sensores:
Su principal ventaja es la gran cantidad de información que proporcionan, siendo muy útiles en el campo de la agricultura (identificación de tipos de vegetación, semillas, etc…) y en el estudio geológico de suelos (determinación de tipos de suelos para explotaciones mineras).
Puesto que se recoge información de las ondas reflejadas en gran cantidad de bandas del espectro electromagnético, el estudio espectroscópico de las imágenes recogidas permite hacer análisis de la composición química de los materiales.
Inconvenientes:
Fundamentalmente su precio ya que la tecnología utilizada es muy avanzada. Por otra parte, el software, así como la calibración de los equipos necesarios para la captura de datos y la interpretación y explotación de los mismos es muy complejo.

 

Mapa de minerales en superficie

La imagen de la derecha muestra una comparativa de las imágenes captadas por dos sensores Hiperespectrales distintos, el PROBE-1 y el AVIRIS.

 

 

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