27 Jul, 2020 Por Isis Gómez López Teledetección 3 Comentarios

¿Qué son los Sensores Remotos?

Observar la tierra desde el espacio, desde las alturas, ha sido el sueño de muchos desde hace siglos, y debido a la tecnología actual, una posibilidad cada vez más accesible para todos, hoy en día.

Los ortofotomapas, los modelos digitales de elevación (MDE), los mapas de usos de la tierra, son algunos ejemplos comunes de modelos y mapas derivados u obtenidos gracias a los numerosos datos geográficos disponibles hoy en día, en diversas plataformas y de forma libre o de pago.

Ahora bien, en esta entrada no hablaremos de estas plataformas, pero si estáis interesados podéis realizar el curso: Fuentes de Información geográfica para SIGs ambientales (Por favor, escribir un email a isisecotono@gmail.com antes de inscribirse. Asunto: Interesado en curso Online Fuentes Información Geográfica).

En esta entrada hablaremos de un grupo de  medios que se utilizan para recoger esos datos, los sensores remotos.

Un sensor remoto es un equipo que nos permite recolectar información, datos, a distancia, sin estar físicamente presente. Una definición muy común es:

“Sistemas de detección y medida a distancia, generalmente empleados desde aeronaves o satélites, con los que se obtiene información meteorológica, oceanográfica, sobre la cubierta vegetal, etc. Para tales medidas se utilizan sistemas de detección activos y pasivos.”

El Espectro Electromagnético

Para entender como funciona la Teledetección, es necesario conocer el Espectro Electromagnético. Se conoce como Espectro Electromagnético al rango que cubre todas las longitudes de ondas. Desde las ondas de longitud corta, como los rayos x, pasando por la luz visible para el ojo humano, hasta las ondas de longitud larga, como las de radio.

Imagen: Espectro Electromagnético.

Como se puede ver en la figura anterior, lo que denominamos “luz visible” es una pequeña fracción de todo el espectro electromagnético. De hecho, existe mucho más que no podemos ver comparado con lo que nuestros ojos pueden detectar.

Si fuésemos una abeja, por ejemplo, nuestra “luz visible” sería el espectro ultavioleta (10 nm a 380 nm). Los humanos no podemos ver los rayos ultravioletas con nuestros ojos. O, si fuéramos un carpín dorado, podríamos detectar la radiación infrarroja (700 nm a 1 mm) con nuestros ojos. Los humanos no podemos verla, en cambio, sentimos parte de la radiación infrarroja en forma de calor.

Además, es importante conocer que existe una clasificación del espectro electromagnético. En este caso, ha sido dividido en diversas regiones, basándonos en sus longitudes de onda.

Estas regiones se conocen como Bandas Espectrales. O en otras palabras, cada banda espectral corresponde a un grupo de longitudes de ondas.  Algunas de ellas son: Ultravioleta, Infrarrojo, Microondas, Visible, etc.

Firma Espectral

¿Por qué es tan importante el espectro electromagnético para nosotros? La respuesta es bastante sencilla: Porque cada objeto sobre la superficie terrestre refleja, absorbe y transmite luz  de forma diferente y característica, dependiendo de su composición química.

Para nada nuestros ojos son los mejores sensores, en realidad la mayoría de los objetos reflejan luz en bandas que nuestro ojos no pueden detectar, pero sí podemos medirlos por medio de sensores conocidos como espectrómetros, y como es de imaginar, detectan la luz reflejada por los objetos en bandas.

Nosotros vemos las plantas de colores verdes porque esas son las longitudes de onda de luz que más reflejan sus hojas. Pero aunque  sabemos que la vegetación que se encuentra en buenas condiciones refleja más luz en la banda del “infrarrojo cercano”, nosotros somos incapaces de percibirlo.

Para esto, necesitamos de los datos tomados por los sensores y dentro del programa SIG calculamos el Índice de Vegetación Normalizado (o NDVI), que es que nos ayudará a determinar el estado de salud y clasificar la vegetación.

Imagen: Ortofoto mostrando el infrarrojo cercano, en falso color.

En resumen, como cada objeto, esta conformado una composición química única, entonces, posee una singular “firma espectral” en lo que a longitud de ondas se refiere. Por este motivo, podemos diferenciarles, y además obtener información que de otra forma sería imposible de observar. La definición formal de este echo sería:

Una firma espectral es la cantidad de energía reflejada por un objeto en una longitud de onda específica. Cada objeto tiene una firma espectral característica, ya que posee una composición química particular.

Ver como humano, abeja o carpa dorada

Gracias a los sensores remotos disponemos de imágenes multiespectrales o hiperespectrales, lo que nos permite ver las cosas como abejas, peces, humanos y más. Y esto es debido a que la radiación electromagnética puede ser detectada por un sensor.

Antes de empezar a hablar de imágenes satelitales, es necesario tener claro que la diferencia entre multiespectral e hiperespectral, es el número de bandas y cuán anchas o angostas sean esas bandas.

Es decir, las imágenes multiespectrales son aquellas que poseen de 3 a 10 bandas. Un ejemplo de sensor multiespectral es el localizado en el satélite Landsat-8. En la siguiente tabla vemos las características de cada banda.

Fuente: https://www.usgs.gov/faqs/what-are-band-designations-landsat-satellites?qt-news_science_products=0#


Por su parte, los sensores hiperespectrales pueden poseer cientos o miles de bandas, con anchos de unos pocos nanómetros (10-20 nm).  Ejemplo de este tipo de sensor es el fallido satélite TRW Lewis (1997); o los sensores Hyperion, con 220 bandas (0,4 – 2,5 micrometros) y que generan imágenes de 30 m de resolución.

Sensores Pasivos y Activos

Los sensores remotos se pueden clasificar, también, en activos o pasivos. La diferencia radica en si la energía reflejada en la superficie terrestre -necesaria para conocer la firma espectral de los objetos de la superficie- procede de una fuente natural (el Sol) o si ha sido generada por el mismo sensor.

El ejemplo más común de un sensor pasivo es una cámara de fotos utilizada en pleno día. La luz que recoge el sensor de la cámara, es la reflejada en los objetos que proviene del Sol.

Si al ejemplo anterior cambiamos el escenario, y ahora nos situamos en medio de la oscuridad de la noche, para poder tomar fotos necesitaremos de la ayuda de un flash electrónico. En este caso la luz captada por el sensor de la cámara proviene de la misma cámara (flash) por lo que se considera un sensor activo.

 

Sensor Pasivo y Activo.

La Atmosfera Terrestre influye

No toda la radiación electromagnética llega a la superficie terrestre, ya que la atmosfera terrestre absorbe ciertas longitudes de ondas. Esto es primordial para que pueda haber vida en nuestro planeta, entre otras cosas.

Piensa en la atmósfera como si fuera una cortina con agujeros: permite pasar algunas bandas de radiación electromagnética, otras las absorbe completamente, y otras en diferentes grados de absorción. A esto se le conoce como “bandas de absorción”.

Por ejemplo, el vapor de agua y el dióxido de carbono presentes en la atmósfera, absorben la radiación gamma, rayos x, radiación ultravioleta, etc.

Por suerte, este echo es considerado a la hora de diseñar los sensores localizados en las plataformas satélites.

Ventana Atmosférica y Bandas de Absorción.

Órbitas Satelitales

Arriba de nuestras cabezas, sobre los 700 km de altitud, se encuentra la órbita de la mayoría de los satélites como los Landsat-7 y 8.

La distancia a la que un satélite orbita influye en el tiempo que tarda en completar una órbita. A mayor altitud, más tiempo.

Existen varios tipos de órbitas comunes para satélites con sensores remotos:

Órbita Polar,  aquella en la que el satélite pasa sobre o cerca de ambos polos de la tierra. Ejemplo: SPOT.

Órbita Geoestacionaria, la que poseen los satélites que orbitan sobre el Ecuador de la Tierra, a una velocidad igual a la de la rotación del planeta. Ejemplo: satélites GOES.

Órbita Sincrónica al Sol, es una órbita geocéntrica combinando altitud e inclinación para lograr que un objeto en esa órbita pase sobre una determinada latitud terrestre a un mismo tiempo solar local. Ejemplo: Radarsat.

Si este tema te apasiona, hoy en día existen aplicaciones como Satellite AR, que te permiten conocer donde se localizan los satélites o incluso la ISS.

Resolución

Cuando estamos trabajando con imágenes satélites debemos considerar tres tipos de resolución:

Resolución Espacial: Se define como el detalle en píxeles de una imagen. Una mayor resolución espacial significa un mayor número de píxeles e imágenes más detalladas o píxeles más pequeños.

Resolución espacial vs Tamaño Pixel

La Resolución Espectral se refiere al número de bandas espectrales o grupos de longitudes de onda. Los sensores hiperespectrales tienen una mayor resolución espectral, ya que cada banda espectral tiene un ancho de banda menor.

Por último tenemos la Resolución Temporal,  que se refiere a, la frecuencia con la que un satélite es capaz de obtener imágenes de una determinada área. A veces se le conoce como intervalo de revisita.

Algo de física

Ya sabemos que parte de la radiación electromagnética que incide sobre el planeta es absorbida (o reflejada) por la atmósfera, por lo que sólo una fracción incide sobre la superficie terrestre y se denomina energía incidente (Ei). Luego, ¿qué sucede con esa energía incidente?:

  1. Las ondas electromagnéticas rebotan en la superficie, a esto se llama energía reflejada (Er).
  2. Las ondas electromagnéticas son absorbidas por la superficie y desaparecen. esta es la denominada energía absorbida (Ea).
  3. Las ondas electromagnéticas pasan a través del objeto, y se conoce como energía transmitida (Et).

Así, la energía incidente es la suma de las tres anteriores: Ei = Er + Ea + Et.

Dadas las propiedades de la superficie terrestre, la energía incidente reacciona de forma diferente dependiendo de las características puntuales de la superficie, por lo que las fracciones reflejadas, absorbidas y transmitidas variarán. Estas diferencias permiten a nuestros ojos y sensores identificar diferentes objetos en la superficie de la Tierra a diferentes longitudes de onda.

De la anterior ecuación, deducimos la ecuación para la energía reflejada:

Er = Ei – Ea – Et.

Pero, ¿cuál es la proporción de energía reflejada que alcanza a nuestros sensores remotos comparada con la Ei?  A esa proporción se le denominada reflectancia espectral (p), y se define como:

p = Er/Ei

Aplicaciones de la Teledetección

Aquí no hay misterios, las aplicaciones son muchas, podríamos decir que “infinitas”, sobre todo si pensamos en los retos de escala local y global que tenemos que encarar como sociedades.

Desde la navegación por el Ártico, hasta la lucha contra incendios forestales. Siempre encontraremos alguna aplicación a las imágenes obtenidas por sensores remotos permitiendo encontrar alguna respuesta o solución a los problemas actuales.

Los sensores remotos permiten obtener inmensas cantidades de información relevante y útil a servicio de todos y por suerte hoy en día en su mayoría de acceso libre.

Esperamos que este artículo te ayude a responder algunas dudas, pero si quieres seguir leyendo te recomiendo las siguientes entradas del blog:

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