LABORATORIO DE GEOTECNIA Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales
Area Sensores Remotos
Plataformas y sensores de percepción remota (v.1) Traducción y libre adaptación e ilustraciones: Ernesto Guillermo Abril
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GeoLab, Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales CREAN – Facultad de Ciencias Agropecuarias Universidad Nacional de Córdoba - CONICET
Biblioteca Activa
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Versión 1.0, junio de 2010 (en revisión)
Sensores Remotos Un sensor remoto es un instrumento sensible capaz de detectar y cuantificar la energía proveniente de sitios ubicados a determinada distancia, permitiendo de esa manera caracterizar objetos según su energía reflejada o emitida.
Plataformas Las plataformas son los sitios (plataformas terrenas) o vehículos (plataformas móviles) en los que se encuentran montados los sensores remotos. De acuerdo con su tipo, puede hablarse de plataformas terrestres (fijas en la tierra), aéreas (sensores montados en aviones) o espaciales (sensores montados en satélites), estas últimas orbitales (orbitan la tierra) o heliosincrónicas (giran acompañando la rotación terrestre, a gran altura.
Plataformas terrenas Los sensores se ubican sobre trípodes o en torres de observación. Su performance es muy limitada, dado el campo de visión. Se emplean 1
Uso exclusivo en la Cátedra de Aplicaciones de los Sensores Remotos en Geología, Agronomía e Ingeniería Civil. Maestría en Procesamiento Digital de Imágenes, FAMAF y FCEFyN, Universidad Nacional de Córdoba. 2 Notas técnicas electrónicas en revisión continua ernesto.g.abril@gmail.com
normalmente para obtener muestras de control y datos de pequeñas zonas del terreno, generalmente con la finalidad de calibrar equipos o tomar patrones de interpretación. En rigor, se trata de labores correspondientes al trabajo de campo, por más que el sensor se ubique a distancia de la superficie. Los sensores para estas plataformas son radiómetros o cámaras fotográficas, comunes o especiales. Su instalación es ocasional, en oportunidad del trabajo de campo.
Plataformas aéreas Estas plataformas pueden ser helicópteros, avionetas o diferentes tipos de avión, se trate de los de propulsión a hélice, turbo-hélice y turbina, aunque deben también quedar comprendidos los globos y aeromodelos pequeños y medianos a control remoto. La característica más saliente de estos sensores es su alta resolución espacial, dada la distancia reducida a la superficie de la Tierra. Su resolución temporal es muy variable y con un alto costo relativo.
Plataformas espaciales Las plataformas que se utilizan en estos casos son naves espaciales, estaciones orbitales o satélites. Los satélites son los más comúnmente utilizados. Su ventaja es el bajo costo relativo, frente a la prolongada vida útil y el volumen enorme de información provista. Es habitual que las naves espaciales y estaciones orbitales tripuladas se empleen para probar y calibrar los nuevos sensores o para adquirir datos de específico interés. Los satélites utilizan diferente tipo de órbita. Los llamados satélites de órbita polar giran a una altura de unos 700 a 800 km de la superficie (algunos menos).
Tienen una órbita levemente fuera de la órbita polar (una leve inclinación de unos 7,5 – 8,5º con relación al eje de rotación de la tierra).
Esto y la sincronía existente entre la velocidad de rotación de la tierra y la velocidad con la que el satélite la orbita, permiten que el horario de toma de cada imagen sea constante (heliosincronía). Este horario de toma asegura que el ángulo de inclinación solar sea similar entre imágenes tomadas en igual fecha de diferentes años, lo que garantiza una estandarización de sombras que homologan los relevamientos. Este tipo de satélite es el empleado en el relevamiento de datos y el monitoreo de los recursos naturales, con aplicaciones en el ámbito de la agricultura, la silvicultura, geología y la oceanografía. Los satélites de órbita geoestacionaria se ubican sobre la línea ecuatorial y en una posición fija con respecto al eje de rotación terrestre. Estas naves se ubican a una gran altura (unos 36.000 km) y poseen una velocidad angular igual a la de la rotación de la Tierra, relevando siempre la misma cara del planeta. Esto les permite relevar frecuentemente una misma escena, por lo que se emplean en el seguimiento del estado del tiempo y el pronóstico meteorológico.
Clases de sensores Hay sensores ópticos y electrónicos. Mientras en los de carácter óptico las imágenes quedan plasmadas en película foto-sensible que por revelado conduce a generar la fotografía (película), luego mediante la técnica del revelado, se logran los productos fotográficos que todos conocemos (fotos). El pixel tiene dos atributos uno de coordenadas (x e y) y un valor digital (reflectancia). En los sensores electrónicos, la información es almacenada en formato digital y decodificada en una estructura matricial (filas y columnas) llamada raster donde cada celda representa un pixel.
Aerofotografía pancromática (Dirección de Catastro de la Provincia de Córdoba, 1987)
En sentido estricto, si bien los productos de los sensores remotos se conocen a veces como fotografías, se deben designar como imágenes, y no fotografías, reservándose este término para los productos originados en el revelado de películas fotográficas.
Tradicionalmente se han utilizado las aerofotografías estándar, tomadas con cámaras específicas. Estos medios de relevamiento analógico tienen alta precisión geométrica (cámaras métricas) y la toma de información de un mismo sector desde dos puntos permite reconstruir la visión 3D a partir de la visión estereoscópica, a través de la cual se pueden realizar mediciones precisas que dan lugar a una disciplina tradicional y fuerte que es la fotogrametría.
Sistemas remotos de recolección de datos Hay dos sistemas de obtención de datos por sensores remotos: pasivos y activos. Los sistemas pasivos captan energía reflejada por los objetos y los activos la emiten y miden la respuesta al estímulo que han enviado. No obstante, si se advierte la fuente emisora de energía aparece un tercer tipo de sensores, que son los que miden energía que no proviene ni del sol ni del propio equipo de sensores sino que es emitida por los objetos a relevar (energía térmica). Sistemas pasivos Estos sistemas pueden captar energía reflejada o energía emitida (ámbito del IR termal del espectro electromagnético). Los sistemas que captan energía reflejada son semejantes al sistema de la visión humana, sólo que abarcan ondas más allá del visible. La energía que captan es energía solar reflejada. Es el sistema tanto de la fotografía convencional como el de los relevamientos digitales montados en satélites y también aeronaves.
Los sensores miden energía proveniente del sol que es luego reflejada hacia ellos desde los objetos iluminados (energía en la porción reflectiva del espectro, visible e infrarrojo cercano y medio).
En caso de los sistemas que captan energía emitida, se trata de energía que se encuentra almacenada en los elementos de la superficie (temperatura). La fuente y el objeto son uno solo. Los elementos de la superficie terrestre absorben parte de la energía proveniente del sol y la transforman en calor, esa energía almacenada en forma de calor es re-irradiada hacia el espacio. Un ejemplo común es el sistema empleado en meteorología, que permite la medición de la temperatura de las nubes, que indica su probabilidad de producir precipitaciones.
Imagen del satélite geoestacionario meteorológico GOESS de la región del Atlántico Sur (costas de la Argentina, Uruguay y Brasil).
(Servicio Meteorológico Nacional, 2009)
Como ejemplo se pueden citar los sensores meteorológicos que miden la temperatura de las nubes, corrientes marinas, vientos, etc. Sistemas Activos En estos sistemas, la plataforma alberga tanto al emisor como al receptor de ondas. El sistema más conocido es el de los radares.
Los radares emiten energía en el rango de las microondas desde la plataforma hacia la superficie terrestre y miden la proporción de energía que resulta en relación con la energía emitida desde los objetos.
Imagen RADAR
La particularidad de estos sensores es la de poder trabajar sin depender de la luz (pueden hacerlo a cualquier hora, haya o no iluminación solar) y atravesando elementos que para otro tipo de ondas serían una interferencia. Las nubes, que son una interferencia explotada en meteorología por los sistemas que se encuentran en las bandas del visible y sus vecinas, por ejemplo, son transparentes al sistema radar.
Nubosidad en el extremo Sur de Sudamérica. Imagen satelital GOES (Servicio Meteorológico Nacional, 2009)
Los equipos RADAR de aplicación en estudios geológicos son montados en aeronaves, permitiendo el logro de datos de muy alta resolución, y en plataformas satelitales, posibilitando una cobertura amplísima del territorio.
Los sistemas RADAR son una alternativa de gran importancia para las regiones que presentan habitualmente una gran y constante nubosidad.
El sistema se presenta no solamente como una forma de captar datos para su explotación para la temática de los recursos naturales sino para importantes aplicaciones relacionadas con la meteorología y la navegación en general, principalmente. El empleo de este sistema permite estudios de detalle, relacionados con aspectos texturales y granulométricos de la superficie del terreno.
Formato de registro de la información Ya ha sido especificado que existen en este sentido dos formas diferentes de registrar la información relevada, mediante sistemas ópticos, a partir de una película sensible, o electro-ópticos, a partir de sensores digitales. Así los sensores remotos son clasificados también, de acuerdo al formato técnico de toma y almacenaje de datos en:
Sensores fotográficos: La información recibida es captada en una película con una emulsión fotosensible (fotografía aérea pancromática, fotografía desde satélites con sensores fotográficos, de baja altura).
Fotografía aérea oblicua color FOTOGRAFIA
La unidad mínima de resolución se designa como grano y es la consecuencia de la incidencia de la luz sobre cristales presentes en la emulsión sensible de la película. La información es trasladada físicamente desde el equipo de toma a la unidad de almacenaje.
Sensores digitales: La información captada es registrada en formato digital y almacenada en soporte magnético para ser luego transmitida a la Tierra (estaciones terrenas) por medio de ondas de radio o microondas.
Imagen satelital espacial 0,60m ) IMAGEN
Quick
Bird
(resolución
La unidad mínima de resolución es el pixel, que es el resultado de la asignación de un valor a la reflectancia de una unidad de superficie codificada en celdas.
Propiedades de los sistemas de relevamiento remoto Resolución Espacial La resolución espacial está referida al tamaño de la unidad de reflexión del sensor. Geográficamente se traduce en un cuadrado llamado elemento cromático o pixel (de PICture ELement). Constituye la menor dimensión que el sensor es capaz de relevar de la superficie terrestre.
80m
30m Resolución real original LANDSAT ETM+
Resolución simulada de LANDSAT MSS
1,1km
250m Resolución simulada a MODIS
Resolución simulada a NOAA-AVHRR
Resolución Radiométrica La resolución radiométrica es la sensibilidad del sensor para cuantificar la información que recibe. Se traduce en la cantidad de niveles de energía en los cuales puede separar el flujo energético recibido. Se la identifica con la cantidad de tonos de grises que el sensor es capaz de captar. La mayoría de los sensores tienen una resolución radiométrica de 256 niveles de gris. Esto es 8 bits (28 = 256).
Es decir que la información recibida por el sensor, en función de su intensidad, será discriminada en 256 niveles, a cada uno de los cuales se le asigna una graduación de gris. La mínima energía recibida en esa banda será cero, traducida en tonos de gris al negro (ausencia de respuesta). La máxima energía recibida en esa banda será codificada en el nivel numérico 255, intensidad traducida en el mayor estado de brillantez o máxima reflexión que es el blanco (máxima respuesta espectral):
Estos niveles son las magnitudes de energía medidas en el ámbito espectral de la correspondiente banda del sensor.
Resolución Espectral El término resolución espectral se refiere a la cantidad de bandas del espectro en las que el sensor obtiene información. Los diferentes sensores, de acuerdo con el objetivo específico de su misión, están calibrados para captar la energía de determinados rangos de longitud de onda, en las distintas ventanas del espectro. La cantidad de bandas da una idea de la capacidad analítica que provee el sensor. En este sentido, es también importante considerar el ancho de las bandas, ya que introduce la idea del grado de confusión que permite el sensor. Un ejemplo lo vemos en la región del visible de LANDSAT TM+. La cantidad y el ancho de bandas en esta zona espectral le permite tener una buena
discriminación en el ámbito del visible, a punto de hablarse en una banda en cada uno de los componentes color básicos: B1 = azul B2 = verde B3 = rojo. Por otra parte, el ancho de estas bandas, si se compara con el de la banda 8, pancromática, permite advertir que lo que esta última abarca en una sola escena puede descomponerse en lo que relevan las citadas bandas del visible [1(A) + 2(V) + 3(R)], sumado a lo que capta la banda del infrarrojo cercano [4(IRC)]
A continuación, se acompaña un esquema que muestra la cantidad de bandas, su ubicación en relación al espectro electromagnético y su respectivo ancho para cinco satélites conocidos: LANDSAT, SPOT, NOAA, METEOSAT y ERS-1 (radar).
Resolución Temporal Se designa como resolución temporal, periodicidad o frecuencia de paso al tiempo que transcurre entre dos pasadas sucesivas del satélite sobre un mismo punto de la superficie de la Tierra. La resolución es una variable importante en el monitoreo satelital de fenómenos regionales de evolución rápida. En climatología, es tan importante que para el seguimiento del estado del tiempo se emplean los satélites llamados geoestacionarios, esto es, satélites que giran acompasados con el movimiento de la Tierra.
La frecuencia de paso o la revisita significa que el sensor está en condiciones de tomar exactamente el mismo cuadro que el que tomó en la pasada anterior. Actualmente, existen sistemas que pueden tomar escenas laterales a su órbita, lo cual es equivalente a una re-visita.
SPOT