Introduccin a los Sensores Remotos y Procesamiento de Imgenes

Sergio Velsquez Mazariegos

Julio 2002

Introduccin a la Teledeteccin (Sensores Remotos)y Proceso de ImgenesDe las varias fuentes de datos aplicados a Sistemas de Informacin Geogrfica (SIG), uno de los ms importantes es indudablemente los que proveen los sensores remotos. A travs del uso de satlites, tenemos ahora un programa continuo de adquisicin de datos para el mundo entero con intervalos de tiempo que varan desde un par de semanas hasta horas. Ahora tambin se cuenta con acceso a datos de sensores remotos en formato digital, permitiendo una rpida integracin de los resultados del anlisis de sensores remotos al SIG.

El desarrollo de tcnicas digitales para la restauracin, realce e interpretacin computarizada de imgenes remotamente sensadas proceda inicialmente de manera independiente y ms avanzada que los SIG. Sin embargo, la estructura raster de los datos y los varios procedimientos involucrados en los Sistemas de Proceso de Imgenes (SPI) eran idnticos a aquellos involucrados en SIG en formato raster. Como resultado, se ha hecho comn ver SPI que integran cada vez ms capacidades de SIG, y programas de SIG que agregan por lo menos algunas herramientas fundamentales de SPI. IDRISI para Windows., siendo primariamente un SIG, presenta un extenso grupo de herramientas para el proceso de imgenes digitales.

Debido a la extrema importancia de los sensores remotos como datos de entrada a los SIG, se ha hecho necesario para los analistas de SIG (principalmente los involucrados en aplicaciones de Recursos Naturales), obtener una slida familiaridad con SPI. Como consecuencia, este captulo da una revisin de esta importante tecnologa y su integracin con SIG.

Definicin

El sensoramiento remoto o teledeteccin se puede definir como cualquier proceso por medio del cual se obtiene informacin acerca de un objeto, rea o fenmeno sin entrar en contacto directo con l. Nuestros ojos son un excelente ejemplo de un dispositivo de teledeteccin. Somos capaces de obtener informacin acerca de nuestro entorno midiendo la cantidad y naturaleza de la reflectancia de la energa de la luz visible que viene de una fuente externa (como el sol o un bombillo) al reflejarse en los objetos que se encuentran en nuestro campo visual. Esto contrasta con un termmetro, el cual debe estar en contacto con el fenmeno que mide y por lo tanto no es un dispositivo de sensoramiento remoto.

Dada esta definicin general, el trmino teledeteccin ha venido siendo asociado ms especficamente con la medicin de las interacciones entre los materiales presentes en la superficie de la tierra y la energa electromagntica. Sin embargo, cualquier intento de dar una definicin ms especfica se hace difcil, ya que no solamente el ambiente natural es sensado (ej.: aplicaciones en restauracin artstica), el tipo de energa no siempre es electromagntica (ej.: sonar) y algunos procedimientos miden emisiones naturales de energa (ej.: infrarroja termal) en lugar de interacciones con energa de una fuente independiente.

Consideraciones fundamentales

Fuente de Energa

Los sensores pueden dividirse en dos grandes grupos: pasivos y activos. Los sensores pasivos miden los niveles ambientales de fuentes de energa existentes, mientras que los activos proveen su propia fuente de energa. La mayora del sensoramiento remoto s hace con sensores pasivos, de los cuales el sol es la principal fuente de energa. Un ejemplo de ello lo constituyen las fotografas areas. Con cmaras montadas en aviones hemos sido capaces de medir y registrar la reflexin de la luz en la tierra. Mientras que la fotografa area es todava una forma muy popular de sensoramiento remoto, las nuevas tecnologas han extendido las capacidades para ver no solamente en las longitudes de onda del visible y del infrarrojo cercano, sino en longitudes de onda mayores. Sin embargo, no todos los sensores pasivos utilizan la energa del sol. Los sensores de infrarroja termal y microondas miden las emisiones naturales de la misma tierra. Por lo tanto los sensores pasivos son simplemente aquellos que no suplen por si mismos la energa que detectan.

En contraste, los sensores activos proveen su propia fuente de energa. La forma ms familiar lo constituye el flash de una cmara fotogrfica. Sin embargo, en aplicaciones de mapeo y ambiente, el mejor ejemplo es el radar. Los sistemas de radar emiten energa en la regin del espectro electromagntico correspondiente a las microondas (Figura 3-1). La reflexin de esta energa por los materiales de la superficie de la tierra son medidos para producir una imagen sensada del rea.

Figura 3-1: El espectro Electromagntico

Longitud de Onda

Como se indica, la mayora de los dispositivos de sensoramiento remoto hacen uso de la energa electromagntica. Sin embargo, el espectro electromagntico es muy amplio y no todas las longitudes de onda son igualmente efectivas para propsitos de sensoramiento remoto. Adems, no todas tienen interacciones significativas con los materiales de la superficie de la tierra de inters para nosotros. La figura 3-1 ilustra el espectro electromagntico. La atmsfera en si misma causa una considerable absorcin y/o dispersin de las ondas ms cortas. En adicin, los vidrios de las lentes de muchos sensores causan una significativa absorcin de las longitudes de onda ms cortas como las ultravioleta (UV). Como resultado, la primera ventana importante (una regin en la cual la energa puede de manera significativa pasar a travs de la atmsfera) se localiza en las longitudes de onda visibles. An ac, las longitudes de onda del azul sufren una atenuacin substancial debido a la dispersin atmosfrica, y por lo tanto a menudo son dejadas por fuera en las imgenes remotamente sensadas. Sin embargo, el verde, rojo e infrarrojo (IR) proveen buenas oportunidades para medir sus interacciones con la superficie de la tierra sin ser interferidas significativamente por la atmsfera. En adicin, estas regiones proveen de pistas importantes acerca de la naturaleza de muchos materiales en la superficie de la tierra. La clorofila, por ejemplo, es una absorbedora muy fuerte de las longitudes de onda del rojo visible, mientras que las longitudes de onda del infrarrojo cercano proveen importantes pistas acerca de la estructura de las hojas de las plantas. Como resultado, la mayora de las imgenes remotamente sensadas utilizadas en SIG se toman dentro de esas regiones del espectro.

Al extendernos hacia las regiones del infrarrojo medio y termal, se pueden encontrar una variedad de buenas ventanas. Las ondas ms largas de infrarrojo medio han probado ser tiles en aplicaciones geolgicas, mientras que las termales se han utilizado para monitorear no solamente los casos obvios de distribucin termal regional proveniente de la actividad industrial, sino una amplia gama de aplicaciones como el monitoreo de incendios hasta la distribucin de animales relacionados con la condicin de humedad de los suelos.

Despus del infrarrojo termal, la prxima rea de mayor significancia en teledeteccin ambiental, lo constituye la regin de las microondas. Existen un nmero significativo de ventanas en esta regin y son de particular importancia para el uso de la actividad de imgenes radar. La textura de los materiales que componen la superficie de la tierra causan interacciones con las varias longitudes de onda de la regin de las microondas. Esta informacin puede entonces ser utilizada como informacin suplemental a la obtenida en otras longitudes de onda, y tambin ofrece considerable ventaja de poder ser utilizada en la noche (ya que un sensor activo es independiente de la radiacin solar) y en regiones de alta nubosidad (ya que las longitudes de onda del radar no son significativamente afectadas por las nubes).

Mecanismos de Interaccin

Cuando la energa electromagntica choca contra un determinado material, se dan tres tipos de interaccin: reflexin, absorcin y/o transmisin (Figura 3-2). Nuestra principal preocupacin es con la porcin reflejada ya que es la que generalmente es retornada al sistema del sensor. La cantidad reflejada vara y depende de la naturaleza del material y la porcin del espectro en donde estamos midiendo. Como resultado, si observamos la naturaleza del componente reflejado sobre un rango de longitudes de onda, podemos caracterizar el resultado como un patrn de respuesta espectral.

Figura 3-2 Mecanismos de Interaccin entre Energa Electromagntica y material

Patrones de Respuesta Espectral

Un patrn de respuesta espectral se conoce a menudo con el nombre de firma. Es una descripcin (a menudo en forma de una grfica) del grado en que la energa es reflejada en diferentes regiones del espectro. La mayora de los humanos estn muy familiarizados con los patrones de respuesta espectral ya que ellos son equivalentes al concepto humano del color. Por ejemplo, la Figura 3-3 muestra la respuesta espectral idealizada para varios colores familiares en la porcin visible del espectro electromagntico, as como para el blanco y el gris oscuro. El patrn de reflectancia del rojo brillante (Bright Red), por ejemplo, podra ser producido por una pieza de papel impreso con tinta roja. Aqu la tinta est designada para alterar la luz blanca que brilla sobre ella y absorbe las longitudes de onda del azul y el verde. Lo que sobra son las longitudes de onda del rojo que se reflejan de la superficie del papel hacia el sensor (el ojo). La alta tasa de retorno de ondas rojas indican un rojo brillante, mientras que un retorno bajo de ondas verdes como en el segundo ejemplo implica que el color aparece oscurecido.

El ojo es sensible a los patrones de respuesta espectral porque es un sensor multiespectral (ej: sensible a ms de un lugar en el espectro). Aunque el funcionamiento actual del ojo es bastante complejo, tiene en realidad tres tipos separados de detectores que pueden tilmente responder a las regiones de longitud de onda del rojo, verde y azul. Estos son los colores aditivos primarios, y el ojo responde a mezclas de estos tres para dar como resultado una sensacin de otras tonalidades. Por ejemplo, el color percibido por la tercera respuesta espectral en la figura 3-3 sera amarillo el resultado de mezclar rojo y verde. Sin embargo, es importante reconocer que este es simplemente nuestra percepcin fenomenolgica a un patrn de respuesta espectral. Considere, por ejemplo, la cuarta curva. Aqu tenemos reflectancia tanto en la regin visible del azul y del rojo. Esta es una distribucin bimodal y por lo tanto tcnicamente no es una tonalidad especfica dentro del espectro. Sin embargo, nosotros lo percibiremos como prpura.

El prpura no existe en la naturaleza (ej: como una matriz (hue) una distintiva longitud de onda dominante). Sin embargo, es bastante real en nuestra percepcin. El prpura es simplemente nuestra percepcin de un patrn bimodal que involucra un par no adyacente de matrices primarias.

Figura 3-3: Patrones de respuesta espectral para los discos seleccionados

En los albores del sensoramiento remoto, se crea (ms correctamente se esperaba) que cada material de la superficie de la tierra tendra una respuesta espectral distinta que permitira que esta fuera detectada de manera confiable ya sea por medio visual o digital. Sin embargo, como sugiere nuestra experiencia con el color, a menudo no es este el caso. Por ejemplo, dos especies de rboles podran tener diferente coloracin en una poca del ao y una similar en otra poca.

Encontrar un patrn de respuesta espectral es la clave para la mayora de los procedimientos para la interpretacin computarizada de imgenes remotamente sensadas. La tarea es raramente trivial. Ms bien, el analista debe encontrar la combinacin de bandas espectrales y el tiempo del ao en la cual los patrones distintivos pueden ser encontrados para cada clase informacional de inters.

Por ejemplo, la Figura 3-4 muestra una respuesta espectral idealizada para la vegetacin en comparacin con los del suelo seco desnudo y el agua. La fuerte absorcin en la regin roja y azul del espectro por los pigmentos de la hojas (particularmente la clorofila), nos lleva a la apariencia verde de las plantas sanas. Sin embargo, mientras que esta firma es distintiva de las superficies sin vegetacin, no es muy capaz de distinguir entre especies la mayora tendrn un color verde similar cuando se encuentren en estado de madurez. En el infrarrojo cercano, sin embargo, se encuentra mucho mas retorno de superficies con vegetacin debido a la dispersin dentro de la capa carnosa del mesfilo de las hojas. Los pigmentos de las plantas no absorben energa en esta regin, y por lo tanto la dispersin combinada con el efecto multiplicador de una copa completa conlleva la alta reflectancia es esta regin del espectro. Sin embargo, el grado de esta reflectancia depender grandemente de la estructura interna de las hojas (por ejemplo: hoja ancha vrs. acculas). Como resultado, se pueden detectar cambios diferencias significativas entre especies dentro de esta regin. Similarmente, movindonos a la regin del infrarrojo medio observamos una declinacin en el patrn de respuesta espectral que esta asociado con la humedad de las hojas. Esta es, de nuevo, un rea en donde se pueden identificar diferencias significativas entre especies maduras. Como resultado, las aplicaciones que buscan por una diferenciacin ptima de especies deberan involucrar las regiones del infrarrojo cercano y medio, utilizando imgenes tomadas correctamente dentro del crculo de desarrollo.

Figura 3-4: Firmas tpicas para suelo desnudo, vegetacin verde y agua clara

Sensoramiento Remoto Multiespectral

En la interpretacin visual de imgenes teledetectadas, se debe tener en consideracin una serie de caractersticas: color (o el tono en el caso de imgenes pancromticas), textura, tamao, forma, patrn, contexto y otros. Sin embargo, con interpretacin computarizada se utiliza ms comnmente el color (ej: el patrn de respuesta espectral). Es por esta razn que se pone un fuerte nfasis en el uso de sensores multiespectrales (sensores que al igual que el ojo, ven en ms de un lugar del espectro y que son por lo tanto capaces de registrar patrones de respuesta espectral), y en el nmero y posicin especfica de estas bandas espectrales.

La figura 3-5 ilustra las bandas espectrales del sistema Mapeador Temtico del sistema Landsat. El satlite Landsat es un sistema comercial que provee imgenes multiespectrales en siete bandas espectrales a una resolucin de 30 metros.

Banda 1en la porcin azul del espectro electromagntico (0.45-0.52(m)

Banda 2en la porcin verde del espectro electromagntico (0.52-0.60(m)

Banda 3en la porcin roja del espectro electromagntico (0.63-0.69(m)

Banda 4en la porcin infrarroja cercana del espectro (0.76-0.90 (m)

Banda 5en la porcin infrarroja media del espectro (1.55-1.75 (m)

Banda 6en la porcin infrarroja termal del espectro (10.4-12.5 (m)

Banda 7en la porcin infrarroja media del espectro (2.08-2.35 (m)

Figura 3-5

Se puede mostrar a travs de tcnicas analticas como el anlisis de componentes principales, que en muchos ambientes, las bandas que llevan la mayor cantidad de informacin acerca del ambiente natural son las del infrarrojo cercano y las rojas. El agua absorbe fuertemente las ondas del infrarrojo cercano y por lo tanto es muy distintiva en esta regin. El rea roja tambin es muy importante ya que es la regin primaria en la cual la clorofila absorbe energa para la fotosntesis. Por lo tanto es la banda que puede distinguir ms fcilmente entre superficies con y sin vegetacin.

Dada la importancia de la bandas roja y cercana infrarroja, no es sorprendente que los sistemas de sensor designados para el monitoreo de recursos de la tierra invariablemente incluirn estos en cualquier sistema multiespectral. Las otras bandas dependern del rango de aplicaciones que se quiera. Muchos pueden incluir el verde visible ya que puede ser usado con otras dos para producir una composicin en falso color tradicional una imagen a todo color derivada de las bandas verde, roja e infrarroja opuestas a las bandas azul, verde y roja de imgenes de color natural. Este formato se hizo comn con el advenimiento de la fotografa a color infrarroja y es familiar a muchos especialistas en el campo de los sensores remotos. Adems, la combinacin de estas tres bandas trabaja bien tanto para el paisaje cultural como para las superficies con vegetacin. Sin embargo, se esta incrementando la inclusin de otras bandas que estn ms dirigidas a la diferenciacin de materiales en la superficie. Por ejemplo, la banda 7 de LANDSAT TM est dirigida a la deteccin de zonas con alteraciones hidrotermales en superficies de roca desnuda. En contraste, el sistema AVHRR de la serie de satlites NOAA incluye varios canales termales para medir las caractersticas de la temperatura de las nubes.

Sistemas de Sensores Multiespectrales

Cmo se logra la teledeteccin multiespectral? La manera ms antigua lo constituye la fotografa a color, la cual se utiliza mucho en la actualidad. Sin embargo para propsitos de interpretacin computarizada, los sistemas de barrido de estado slido son ms comnmente utilizados.

Fotografa a Color

Las fotografas a color normales son producidas de una capa compuesta de tres capas de pelcula con diferentes filtros que actan para aislar las longitudes de onda del azul, verde y rojo de manera separada a cada las diferentes capas de pelcula. Con la pelcula infrarroja, estas longitudes de onda son cambiadas a longitudes de onda ms largas para producir un composicin que tiene reflectancias aisladas para las regiones del verde, el rojo y el infrarrojo cercano. Sin embargo, ya que el ojo humano no puede percibir el infrarrojo, se produce una imagen en falso color haciendo aparecer las longitudes de onda del verde de color azul, las rojas aparecen verdes y las infrarrojas cercanas aparecen rojas.

Como una alternativa al uso de pelcula a color, es posible agrupar varias cmaras en una base aerotransportada sencilla, cada una con una pelcula en blanco y negro y un filtro diseado para aislar un rango especfico de longitudes de onda. La ventaja de este diseo es que las bandas son accesibles independientemente y pueden ser realzadas fotogrficamente. Si se desea una composicin a color, es posible crearla a partir de bandas individuales ms tarde.

Es claro que las fotografas no se encuentran en un formato que puede ser utilizado de manera inmediata en un anlisis digital. Sin embargo, es posible barrer fotografas con un scanner de escritorio y crear datos multiespectrales ya sea barriendo imgenes de bandas individuales o bien barriendo una imagen a color y luego separando las bandas. Varios programas de SIG/SPI tienen esta capacidad. Adems, se puede comprar programas especializados para rectificar imgenes de baja altitud por medio de tcnicas fotogramtricas.

Vdeo

Las grabadoras de videocasetes en formato super VHS pueden ser usadas con pequeas cmaras de vdeo (CCD) para producir videos areos a color de alta calidad. Utilizando varias cmaras simultneamente, cada una con un filtro diseado para aislar un rango especfico de longitudes de onda, es posible aislar imgenes multiespectrales que pueden ser usadas individualmente, o en combinacin en la forma de una composicin a color. Para el uso de anlisis digital, se necesitan tarjetas grficas especiales conocidas como capturadoras de cuadros, que pueden ser utilizadas para congelar cualquier cuadro dentro de una secuencia continua de vdeo y convertirla a formato digital, generalmente en uno de los formatos de intercambio ms populares como lo son TIFF y TARGA.

Barredores Multiespectrales

La fotografa ha probado ser una fuente importante para la interpretacin visual y la produccin de mapas analgicos. Sin embargo, el desarrollo de plataformas satelitales y la necesidad asociada de obtener imgenes telemtricas en formato digital, as como la demanda de imgenes digitales de manera consistente, ha influido en el desarrollo de barredores de estado slido como un formato principal para la captura de datos remotamente sensados. Las caractersticas especficas de los sistemas en particular varan (incluyendo en algunos casos, la remocin de un verdadero mecanismo de barrido). Sin embargo, en la discusin que sigue, se presenta un sistema idealizado de sistema de barrido que es altamente representativo de los sistemas actualmente en uso.

La lgica bsica de un sensor de barrido es el uso de un mecanismo para barrer un pequeo campo visual (conocido como el campo instantneo de visin IFOV) en direccin oeste a este al mismo tiempo que el satlite se mueve en direccin norte a sur. Este movimiento conjunto provee los medios para componer una imagen raster completa del ambiente. Una tcnica muy sencilla de barrido es la que utiliza en espejo rotatorio que puede barrer el campo de visin de una forma consistente de oeste a este. El campo de visin es entonces interceptado con un prisma que puede separar la energa contenida dentro del IFOV en sus componentes espectrales. Detectores fotoelctricos (de la misma naturaleza de los que se encuentran en los exposmetros de las cmaras fotogrficas) se distribuyen en la va de este espectro para proveer la medidas elctricas de la cantidad de energa detectada en las diferentes partes del espectro electromagntico. Conforme se mueve el barredor de oeste a este, estos detectores son ???? para obtener un grupo de lecturas a lo largo del barrido oeste-este. Estos forma las columnas a lo largo de una fila de un grupo de imgenes raster una por cada detector. El movimiento del satlite de norte a sur posiciona el satlite para detectar la siguiente fila, llevando consecuentemente a la produccin de un grupo de imgenes que registran la reflectancia sobre un rango de bandas espectrales.

Sistemas Sensor/Plataforma

Dados los recientes desarrollos en los sensores, se encuentran disponibles una variedad de plataformas para la captura de datos remotamente sensados. Aqu se revisan algunas de las combinaciones sensor/plataforma ms que estn disponibles para el uso de la comunidad de SIG.

Fotografa area

La fotografa area es el mtodo de sensoramiento remoto ms antiguo y ampliamente utilizado. Cmaras montadas en aeroplanos ligeros y volando a alturas entre 200 y 15000 m. capturan un gran cantidad de informacin detallada. Las fotografas areas proveen un inventario visual instantneo de una porcin de la superficie terrestre, que puede ser utilizada para crear mapas. Las fotografas areas son generalmente tomadas por compaas privadas que operan equipos montados en aviones especialmente acondicionados con cmaras con capacidad de toma en formato grande (23 cm x 23 cm). Las fotografas areas se pueden tomar tambin con cmaras de formato pequeo (35 mm y 70 mm), ya sea montadas en el avin o llevadas en la mano.

Las configuraciones de las cmaras y las plataformas se pueden agrupar en verticales y oblicuas. La fotografa area oblicua se toma con un ngulo en relacin al suelo. Las imgenes resultantes dan una vista al observador como si estuviera observando a travs de una ventana del aeroplano. Estas imgenes son ms fciles de interpretar que las fotografas verticales, pero es ms difcil de localizar y medir caractersticas con propsitos de mapeo.

La fotografa area vertical se toma mirando completamente hacia abajo. Las imgenes resultantes captan las caractersticas de la tierra en forma plana y son fcilmente comparables a mapas. Las fotos verticales son bastante deseables, y so particularmente tiles en inventario de recursos en los lugares en donde no existen mapas disponibles. Las fotografas areas captan caractersticas como patrones de campo y vegetacin que muchas veces se omiten en los mapas. La comparacin de fotografas viejas con nuevas puede capturar cambios dentro de un rea en un perodo de tiempo dado.

Las fotografas areas verticales pueden contener pequeos e imperceptibles desplazamientos debido al relieve, movimientos del aeroplano y distorsin de las lentes. Las imgenes verticales se pueden tomar con un traslape, tpicamente es de 60 porciento a lo largo de la lnea de vuelo y por lo menos de 20% entre lneas. Las imgenes que se traslapan se pueden observar con un estereoscopio para crear una vista tridimensional, llamado par estereoscpico.Fotografa en formato grande

Las firmas privadas de aerofotos utilizan aeroplanos livianos (monomotores o bimotores) equipados con cmaras de formato grande. Las cmaras de formato grande como la Wild RC-10, utiliza pelcula de 23 cm x 23 cm el cual esta disponible en rollos. La Kodak y otros distribuidores fabrican una variedad de pelcula dedicada para ser utilizada en fotografa area. Se utiliza pelcula negativa en donde se necesita impresiones del producto, mientras que se utiliza pelcula positiva en donde se requieren transparencias. Las pelculas para impresin permiten ampliaciones detalladas tipo poster. Adems, las pelculas para impresin son tiles cuando se requiere hacer mltiples copias para ser distribuidas y utilizadas en el campo.

Fotografa en formato pequeo

Las cmaras de formato pequeo que son instaladas en aviones rentados son una alternativa barata en relacin a la fotografa en formato grande. Se requiere de una cmara de 35 mm o 70 mm, un avin liviano y un piloto, adems de los medios para procesar la pelcula. Ya que existen laboratorios de proceso comerciales en casi todo el mundo, se recomienda el uso de pelculas de 35 mm.

La fotografa oblicua se puede tomar con una cmara de mano desde cualquier avin liviano; las fotografas verticales requieren de un montaje especial, apuntando a travs de un agujero en la parte inferior del avin o con una extensin en la puerta del avin.

La fotografa en formato pequeo tiene varios inconvenientes. Los aviones livianos sin presurizacin estn limitados a alturas inferiores a los 4000 m, y el tamao de la pelcula es pequeo, por lo que se debe sacrificar resolucin o el rea cubierta con cada cuadro. Debido a las distorsiones, no se puede utilizar este sistema cuando se requiere de un mapeo de precisin. Tampoco se pueden hacer impresiones tipo poster a partir de estos pequeos negativos. Sin embargo este tipo de fotografa puede ser til en estudios de reconocimiento, o pueden ser utilizados como puntos de muestra.

Videografa

Cmaras livianas, portables y baratas se pueden llevar en aviones rentados. Algunas compaas en la actualidad ofrecen videografa como una opcin. El producto tpico, consiste de imgenes compuestas en falso color como una grabacin continua. Como en el caso de fotografa en formato pequeo, la videografa no puede ser utilizada para mapeo detallado, pero provee una vista general para estudios de reconocimiento y puede ser utilizada en conjunto con puntos control en el campo.

Sistemas Montados en Satlites

Existen en operacin varios sistemas montados en satlite que pueden recolectar imgenes y luego distribuirlos a los usuarios. Varios de los ms comunes se describen a continuacin. Cada tipo de satlite ofrece caractersticas especficas que los hacen ms o menos apropiados para una aplicacin en particular.

En general, existen dos caractersticas que pueden ayudar a guiar su escogencia: la resolucin espacial y la resolucin espectral. La resolucin espacial se refiere a el tamao del rea en el suelo que es descrita por un sola valor en los datos de las imgenes. Esto es el Campo Instantneo de Visin (IFOV) descrito anteriormente. La resolucin espectral se refiere al nmero y ancho de las bandas espectrales que el sensor detecta. Adems, factores como el costo de las imgenes y la disponibilidad deben de ser considerados tambin.

Landsat

El sistema Landsat de satlites para teledeteccin es operado por la compaa Earth Observation Sattelite Company (EOSAT), la cual vende datos e imgenes digitales y productos fotogrficos de forma comercial. Hay disponibles escenas completas o cuartos de escena en una variedad de medios, as como productos fotogrficos de escenas MSS y TM en falso color y blanco y negro. Han habido seis satlites Landsat, el primero de los cuales fue lanzado en 1972. El satlite Landsat 6 fue perdido durante el lanzamiento. Sin embargo, Landsat 5 es todava operacional.

Landsat lleva a bordo dos sensores multiespectrales. El primero es el Multi-Spectral Scanner (MSS) el cual adquiere imgenes en cuatro bandas espectrales: azul, verde, rojo e infrarrojo cercano. El segundo es el Mapeador Temtico (TM) el cual recolecta siete bandas: azul, verde, rojo, infrarrojo cercano, dos infrarrojas medias y una infrarroja termal. El MSS tiene una resolucin espacial de 80 metros, mientras que en el TM es de 30 metros. Ambos sensores tiene un ancho de toma de 185 km., pasando cada da a las 9:45 tiempo local y regresando cada 16 das.

Spot

El Systme Pour LObservation de la Terre (SPOT) fue lanzado y ha estado en operacin por un consorcio francs desde 1985. SPOT lleva dos sensores de barrido de Alta Resolucin Visible (HRV) los cuales operan en modo multiespectral y pancromtico. En el modo multiespectral, el sensor recolecta tres bandas, una banda verde, una rojo y una infrarroja cercana, con una resolucin espacial de 20 metros. En el modo pancromtico, el sensor recolecta una sola banda con una resolucin espacial de 10 metros. Ambos modos cubren un ancho de 60 kilmetros. El sensor SPOT puede ser apuntado para captar imgenes de pasos adyacentes. Esto permite al instrumento adquirir imgenes repetidas de una zona unas 12 veces durante su perodo orbital de 26 das. Esta capacidad hace que SPOT sea el nico sistema que puede proveer imgenes con caractersticas estereoscpicas.

SPOT Image Inc., vende un nmero de productos, incluyendo imgenes digitales en una variedad de medios magnticos, as como tambin productos fotogrficos. Las imgenes existentes pueden ser compradas o se pueden ordenar nuevas adquisiciones. Los clientes puede requerir que el satlite sea apuntado en una direccin particular para nuevas tomas.

NOAA-AVHRR

El Radimetro Avanzado de Muy Alta Resolucin (AVHRR) es llevado a bordo por una serie de satlites operados por la Administracin Nacional Atmosfrica y Ocenica de los Estados Unidos (NOAA). Estos satlites adquieren datos en un ancho de barrido de 2400 km. cada da. El AVHRR recolecta cinco bandas: roja , dos en el infrarrojo cercano, una en el infrarrojo medio y una en el termal. La resolucin espacial del sensor es de 1.1 km. y sus datos se denominan de Cobertura de Area Local (LAC). Para el estudio de grandes reas se provee una versin remuestreada con una resolucin de 4 km. y que se le denomina Cobertura de Area Global (GAC).

El AVHRR puede ser considerado de alta resolucin espacial para aplicaciones meteorolgicas, pero las imgenes dan nicamente patrones muy amplios y poco detalle en estudios terrestres. Sin embargo, tienen una alta resolucin espacial, mostrando reas muy anchas diariamente. Por lo tanto, el AVHRR ha sido una alternativa muy popular para el monitoreo de grandes reas. Las imgenes de AVHRR es utilizada por varias agencias y organizaciones involucradas en prediccin de hambrunas y es parte integral de algunas actividades de prevencin temprana. Las imgenes AVHRR estn disponibles por menos de US$100 en la NOAA.

ERS-1

El Satlite Europeo de Sensoramiento Remoto (ERS-1) es un nuevo sistema desarrollado por la Agencia Espacial Europea. Este sistema ofrece un interesante complemento a otros productos comerciales, ya que ofrece una variedad de formatos de salida de imgenes de radar. Para las aplicaciones de SIG, el principal producto de inters es el radar con vista lateral (SAR) que provee un ancho de barrido de 100 km. con 30 metros de resolucin. Esta tecnologa prueba ser de considerable inters en una variedad de aplicaciones, incluyendo estudios de vegetacin y proyectos de mapeo en donde el problema de nubosidad es persistente.

Registro de Imgenes y Fotogrametra

Con propsitos de mapeo, es esencial que cualquier forma de imgenes teledetectadas se registren de manera precisa al mapa base propuesto. Con las imgenes de satlite, la altura del sensor hace que resulten desplazamientos mnimos debido al relieve. Como resultado, el registro de las imgenes se puede lograr a travs de transformaciones sistemticas del tipo hoja elstica (rubber sheet) que de una manera muy delicada deforma una imagen (a travs del uso de ecuaciones polinomiales) basado en las posiciones conocidas de una serie de puntos de control dispersos en toda la imagen. Esta capacidad se provee en IDRISI para Windows a travs del mdulo RESAMPLE.

Sin embargo, con fotografas areas el proceso se torna ms complejo. No solamente existen las distorsiones sistemticas debidas al desplazamiento longitudinal y transversal y de altitud. La variacin en la topografa conlleva a distorsiones irregulares que no se pueden remover con el procedimiento de transformacin rubber sheet. En estos casos, es necesario utilizar rectificacin fotogramtrica para remover estas distorsiones y proveer medidas de mapa ms precisas.

La Fotogrametra es la ciencia que trata de la toma de mediciones espaciales a partir de fotografas areas. Para proveer una total rectificacin, es necesario tener imgenes estereoscpicas fotografas que se traslapen lo suficiente (ej: 60% a lo largo de la lnea de vuelo y 10% entre lneas) para proveer dos imgenes independientes de cada parte del paisaje. Utilizando estos pares estereoscpicos y puntos de control en campo conocidos como posicin y altura, es posible recrear totalmente la geometra de las condiciones de toma, y por lo tanto no solamente rectifica las medidas de dichas imgenes, sino que tambin deriva las medidas de altitud del terreno. Las fotografas rectificadas son llamadas ortofotos. Las medidas de altitud puede ser utilizadas para producir modelos de elevacin digital.

La rectificacin fotogramtrica requiere de programas y equipo especializados que tradicionalmente han sido muy caros. Sin embargo, existen en el mercado actualmente un nmero de productos fotogramtricos relativamente baratos y que ofrecen una rectificacin de alta calidad con un mnimo de inversin. Pero an as, se necesita de un fotogrametrista de experiencia para realizar esta actividad.

Proceso de Imgenes Digitales

Introduccin

Como resultado de los sensores multiespectrales y de otros dispositivos de entrada en formato raster, tenemos disponibilidad de imgenes digitales con datos de reflectancia espectral. La principal ventaja de disponer de datos digitales, es que ellos nos permiten aplicar tcnicas de anlisis computarizado a los datos de la imagen un campo de estudio llamado Proceso o Tratamiento Digital de Imgenes.El tratamiento digital de imgenes se enfoca principalmente a cuatro operaciones bsicas:

-restauracin de imgenes

-realce de imgenes

-clasificacin de imgenes

-transformacin de imgenes

La restauracin de imgenes se ocupa principalmente de la correccin y calibracin de imgenes con el objeto de lograr una representacin fiel de la superficie de la tierra tanto como sea posible, dada su importancia en todas las aplicaciones. El realce de imgenes se ocupa principalmente con la modificacin de imgenes con el objeto de optimizar su apariencia al sistema visual. El anlisis visual es un elemento clave, aun en proceso digital de imgenes, y los efectos de ests tcnicas pueden ser dramticos. La clasificacin de imgenes se refiere a la interpretacin de las imgenes asistida por computadora una operacin que es vital para los SIG. Finalmente, la transformacin de imgenes se refiere a la derivacin de nuevas imgenes como resultado de algn tratamiento matemtico de los datos en las bandas crudas.

Para poder realizar las operaciones que se describen en esta seccin, es necesario tener acceso a un programa de Procesamiento de Imgenes. Sin embargo, como se mencion anteriormente, muchos de los sistemas raster ofrecen ahora una mezcla de capacidades en SIG y en SPI. En IDRISI para Windows, los mdulos que se encuentran en el men de Anlisis/Proceso de Imgenes le permiten realizar los procedimientos que se describen abajo.

Restauracin de Imgenes

Las imgenes remotamente sensadas se toman tpicamente a gran distancia de la superficie de la tierra. Como resultado, existen un camino substancialmente grande que la energa electromagntica tiene que atravesar antes de llegar al sensor. Dependiendo de las longitudes de onda involucradas y de las condiciones atmosfricas, la energa entrante puede ser substancialmente modificada. El sensor en s mismo puede modificar entonces el carcter de los datos ya que puede combinar una variedad de componentes mecnicos, pticos y electrnicos que sirven para modificar o enmascarar la energa radiante. Adems, durante el tiempo que la imagen esta siendo barrida, el satlite esta siguiendo una va que esta sujeta a pequeas variaciones al mismo tiempo que la tierra se mueve debajo de l. La geometra de la imagen esta entonces en un flujo constante. Finalmente, la seal necesita ser telemedida cuando vuelve de la tierra y subsecuentemente recibida y procesada para dar como resultado los datos que recibimos. Como consecuencia, se pueden combinar una serie de disturbancias sistemticas y aparentemente aleatorias que degradan la calidad de la imagen que finalmente recibimos. La restauracin de las imgenes busca remover estos efectos de degradacin.

De manera ms amplia, la restauracin de imgenes se puede dividir en las subreas de restauracin geomtrica y restauracin radiomtrica.Restauracin geomtrica

En las imgenes comerciales como Landsat y SPOT, los distribuidores corrigen la mayora de los elementos relacionados con la restauracin geomtrica. Estos incluyen elementos como:

correccin de sesgo que toma en cuenta el hecho que la tierra se mueve mientras la imagen es capturada;

correccin de la distorsin del barredor que toma en cuenta el hecho que el campo instantneo de visin (IFOV) cubre ms territorio al final de la lnea de barrido (donde el ngulo de visin es muy oblicuo) que en el medio.

Parece lgico incluir una transformacin de hoja elstica y otros procedimientos de georeferenciacin en esta seccin. Sin embargo, con la georeferenciacin, el asunto va ms all de la restauracin del carcter original de los datos. Es un asunto ms de cambiar los datos a travs de la reorientaacin y reproyeccin de la imagen, para alcanzar la caracterstica final deseada.

Restauracin radiomtrica

La restauracin radiomtrica se refiere a la remocin o disminucin de las distorsiones en el grado en que la energa electromagntica es registrada por cada detector. Una variedad de agentes pueden causar distorsin en los valores registrados en las celdas de la imagen. Algunas de las distorsiones ms comunes para los cuales existen procedimientos de correccin incluyen:

valores incrementados uniformemente, debido a bruma atmosfrica, la cual dispersa las longitudes de onda cortas (particularmente las ondas azules);

bandeado, debido a la descalibracin de los detectores;

ruido aleatorio, debido al funcionamiento impredescible y no sistemtico del sensor o de la transmisin de datos;

lneas de barrido perdidas, debido a prdida de seal de algn detector.

Es apropiado incluir tambin ac, procedimientos que se utilizan para convertir los valores crudos y adimensionales de reflectancia relativa de las bandas originales, en valores verdaderos medidos de poder reflexivo.

Realce de imgenes

El realce de imgenes esta relacionado con la modificacin de imgenes para hacerlas ms adecuadas a las capacidades de la visin humana. Sin importar el grado de intervencin digital, el anlisis visual juega un papel muy importante en todos los aspectos del sensoramiento remoto. Mientras que el rango de tcnicas de realce es muy amplio, los siguientes aspectos forman el eje principal de esta rea:

expansin del contrasteLos sensores digitales tienen un rango amplio de valores de salida para acomodar la fuerte variacin de los valores de reflectancia que pueden encontrarse en diferentes ambientes. Sin embargo, en cualquier ambiente sencillo se da a menudo el caso de que ocurren nicamente un rango muy estrecho de valores. Las distribuciones de niveles de gris tienden a ser muy sesgadas. Los procedimientos de manipulacin del contraste son entonces esenciales para la mayora de anlisis visual.

generacin de composiciones

Para anlisis visual, las composiciones coloreadas hacen uso completo de las capacidades del ojo humano. Dependiendo del sistema grfico en uso, la generacin de composiciones va desde la seleccin simple de bandas a usar, hasta procedimientos que involucran la combinacin de bandas y la expansin de contraste implcita.

filtros digitalesUna de las capacidades ms intrigantes del anlisis digital es la habilidad para aplicar filtros digitales. Los filtros se pueden utilizar para proveer realce de orillas, para mejorar imgenes borrosas, para aislar caractersticas lineales y tendencias direccionales, para mencionar unas pocas.

Clasificacin de Imgenes

La clasificacin de imgenes se refiere a la interpretacin asistida por computadora de imgenes remotamente sensadas. Aunque algunos procedimientos son capaces de incorporar informacin acerca de algunas caractersticas de la imagen como textura y contexto, la mayora de clasificaciones de imgenes estn basadas solamente en la deteccin de las firmas espectrales (ej: patrones de respuesta espectral) de las clases de cobertura de la tierra. El xito con el cual puede hacerse esta operacin depender de dos cosas: 1) la presencia de firmas distintivas para las clases de cobertura de la tierra de inters en el grupo de bandas que se estn utilizando; y 2) la habilidad o la confiabilidad para distinguir estas firmas de otros patrones de respuesta espectral que puedan estar presentes.

Un paso vital en el proceso de clasificacin es el clculo la precisin de las imgenes finales producidas. Esto involucra la identificacin de un grupo de localidades de muestreo que son visitados en el campo. La cobertura encontrada en el campo se compara con el que fue mapeado en la imagen para la misma localidad. Clculos estadsticos de precisin se pueden derivar para el rea total de estudio, as como tambin para las clases individuales.

Existen dos metodologas generales para la clasificacin de imgenes: supervisada y no supervisada.

Clasificacin supervisada

Con la clasificacin supervisada, se identifican ejemplos de las clases informacionales (por ejemplo: tipos de coberturas) de inters en la imagen. Estos son llamados sitios de entrenamiento. El programa se utiliza luego para desarrollar una caracterizacin estadstica de las reflectancias para cada clase informacional. Esta etapa se llama a menudo anlisis de firmas y puede involucrar una caracterizacin tan simple como la media del rango de reflectancias en cada banda , o tan complejo como anlisis detallados de las medias, varianzas y covarianzas sobre todas las bandas.

Una vez que la caracterizacin estadstica ha sido alcanzada para cada una de las clases informacionales, la Imagen se clasifica por medio del examen de las reflectancias para cada pixel y haciendo la decisin acerca de a qu firmas se parece ms. Existen varias tcnicas para hacer estas decisiones, y estas a menudo se conocen como clasificadores. La mayora de los programas de Procesamiento de Imgenes ofrecen ms de un clasificador. En IDRISI para Windows se ofrecen tres clasificadores comnmente utilizados: Paraleleppedo, Distancia Mnima y Mxima Verosimilitud. Cada una de estas emplea una tcnica distinta para asignar los pixeles a las clases.

Clasificacin No Supervisada

En contraste con la clasificacin supervisada, donde le decimos al sistema acerca del carcter (ej: firma) de las clases informacionales que buscamos, la clasificacin no supervisada no requiere de informacin previa acerca de las clases de inters. Ms bien, esta examina los datos y los divide en los grupos mas prevalecientes de manera natural y espectral, o conglomerados (clusters), presentes en los datos. El analista identifica luego estos conglomerados como clases de cobertura de la tierra a travs de una combinacin de familiaridad con la regin y visita de campo.

La lgica con la cual la clasificacin no supervisada trabaja es conocida como anlisis de conglomerados (cluster), y se provee en IDRISI para Windows con el mdulo CLUSTER. Es importante reconocer, sin embargo, que los conglomerados que la clasificacin no supervisada produce no son clases informacionales, sino clases espectrales (por ejemplo, agrupa juntos pixeles con caractersticas similares de reflectancia). Es usual el caso en que el analista necesita reclasificar las clases espectrales en clases informacionales. Por ejemplo, el sistema puede identificar clases para asfalto y cemento que el analista puede agrupar ms tarde, creando una clase informacional llamado pavimento.

La clasificacin no supervisada se esta haciendo popular en agencias involucradas con el mantenimiento a largo plazo de bases de datos en SIG. La razn es que existen ahora algunos sistemas que utilizan procesos de anlisis de conglomerados que son extremadamente rpidos y que requieren pocos parmetros operacionales. Por lo tanto se esta haciendo posible entrenar analistas en SIG con solamente poca familiaridad con la teledeteccin para hacer clasificaciones y lograr precisiones dentro de los estndares requeridos. Con la ayuda de verificacin de campo y procedimientos de clculo de precisin, esta herramienta puede proveer un medio rpido para producir mapas de calidad de la cobertura de la tierra de manera continua.

Transformacin de Imgenes

El Procesamiento Digital de Imgenes ofrece un rango ilimitado de transformaciones en los datos remotamente sensados. Solamente se menciona dos ac, especficamente debido a su especial significancia en las aplicaciones de monitoreo ambiental.

Indices de Vegetacin

Existen una variedad de ndices de vegetacin que han sido desarrollados para ayudar en el monitoreo de vegetacin. La mayora estn basados en las muy diferentes interacciones entre la vegetacin y la energa electromagntica en las longitudes de onda del rojo y el infrarrojo cercano. Refirmonos a la Figura 3-4, la cual incluye un patrn generalizado de respuesta espectral para vegetacin de hoja ancha siempre verde. Como puede observarse, la reflectancia en la regin del rojo (cerca de 0.6 - 0.7() es baja debido a la absorcin por los pigmentos de la hoja (principalmente la clorofila). Sin embargo, la regin del infrarrojo (cerca de 0.8 - 0.9(), muestra alta reflectancia de manera caracterstica debido a la dispersin por la estructura de las clulas en las hojas. Un siempre Indice de Vegetacin puede ser obtenido dividiendo la medida de reflectancia en el infrarrojo entre la del rojo. Areas con vegetacin vigorosa resultarn entonces con un muy alto valor de este ndice.

Aunque se han tratado algunas variantes a esta lgica bsica, el que ha recibido mayor atencin es el Indice de Vegetacin Diferencial Normalizado (NDVI). Este se calcula de la siguiente manera:

NDVI = (IRC - R) / (IRC + R)

donde IRC = Infrarrojo cercano

y R = Rojo

Esta clase de clculo es bastante simple de hacer en un sistema SIG raster o en un Sistema de Procesamiento de Imgenes, y el resultado se ha demostrado que se correlaciona bien con medidas de campo de la biomasa. Aunque este necesita una calibracin especfica para ser utilizado como una medida de la biomasa, muchas agencias han encontrado este ndice til para propsitos de monitoreo. Por ejemplo, la Organizacin de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentacin (FAO), el Sistema de Informacin en Tiempo Real para Africa (ARTEMIS), y el Sistema de Alarma Anticipada de Hambruna de la USAID (FEWS), utilizan imgenes continentales de NDVI derivados del sistema NOAA-AVHRR para producir imgenes del ndice de vegetacin para el continente africano cada 10 das.

Anlisis de Componentes Principales

El Anlisis de Componentes Principales (ACP) es una tcnica de transformacin lineal relacionado con el Anlisis de Factores. Dada un grupo de bandas de una imagen, el ACP produce un nuevo grupo de imgenes, conocidas como componentes, que no esta correlacionadas una con otra y que estn ordenadas en trminos de la cantidad de varianza que ellas explican del grupo de bandas originales.

El ACP ha sido tradicionalmente utilizado en teledeteccin como un medio de compactar datos. Para un grupo de bandas multiespectrales de una imagen, es comn encontrar que los primeros dos o tres componentes son capaces de explicar virtualmente toda la variabilidad original en los valores de reflectancia. Los dems componentes tienden a estar dominados por efectos de ruido. Al despreciar estos componentes, el volumen de los datos se reduce sin una considerable prdida de informacin.

Recientemente, el ACP ha mostrado tener especial aplicacin en el monitoreo ambiental. En casos en donde se dispone de imgenes multiespectrales para dos fechas distintas, las bandas de ambas se envan a un ACP como si vinieran de una sola imagen. En estos casos, los cambios entre dos fechas tienden a emerger en los componentes remanentes. De forma ms dramtica, si una serie de tiempo de NDVI se someten al anlisis, se puede obtener un anlisis detallado de tendencias y cambios ambientales. En este caso, el primer componente mostrar el NDVI sobre la serie completa, mientras que cada componente sucesivo mostrar los eventos de cambio en una secuencia ordenada de importancia. Examinando estas imgenes en conjunto con grficas de su correlacin con las bandas individuales en la serie original, se puede lograr importantes conocimientos acerca de la naturaleza de los cambios y tendencias sobre la serie de tiempo.

Conclusiones

Los datos remotamente sensados son importantes en un amplio rango de disciplinas. Esto continuar y crecer conforme se hacen disponibles ms datos provenientes de nuevos sistemas operacionales. La disponibilidad de estos datos, acoplados con los programas necesarios para su anlisis, provee oportunidades a los acadmicos y planificadores ambientales , particularmente en el campo del mapeo de uso de la tierra y deteccin de cambios, que eran impensables hace unas pocas dcadas.

La inherente estructura raster de los datos remotamente sensados lo hace compatible con un sistema SIG raster, y muchos, incluyendo IDRISI para Windows, estn diseados para realizar tareas de proceso de imgenes, y para facilitar la incorporacin de los resultados en los anlisis de SIG.

EMBED Word.Picture.8

El sensor de barrido produce una salida como la de un scanner. Sin embargo, no existe un movimiento de barrido. Ms bien, el sensor consiste de un arreglo denso de detectores uno por cada celda en la lnea de barrido que es movida a travs de la escena como que fuera una escoba.

PAGE

2Introduccin a los Sensores Remotos

_987924774.doc