Introducción a los Sensores RemotosReporte de lectura

Alumna: Lizette Zareh Cortes Macías.Unidad de aprendizaje: SENSORES REMOTOSFacilitador: Dr. Jushiro Cepeda Morales

Los sensores remotos se encuentran por todas partes, nuestros propios sentidos son una especie de ellos. La ciencia de la teledetección se refiere a el hecho de poder estudiar objetos o superficies de estos de manera distante, es decir no con una interacción directa.

Tienen múltiples aplicaciones que van desde el entretenimiento o herramientas, hasta la investigación científica.

Fuentes de los datos

Los sensores remotos pueden detectar diferentes tipos de energía (geofísica, gravedad, magnetismo, ondas de radio, radiación electromagnética, etc), pero por lo general operan obteniendo datos de la emisión y reflexión de la radiación electromagnética.

Los sensores se dividen en acticos o pasivos dependiendo de la procedencia de la energía que registran. Los sensores activos generan radiación directa sobre el objeto que se desea estudiar, mientras que los pasivos operan únicamente usando la energía de radiación solar.

Todos los datos obtenidos por los sensores remotos necesitan ser procesados en computadora, por lo tanto siempre se deben obtener los datos en digital.

Los sensores remotos necesitan “un asiento” y este puede ser desde un globo meteorológico hasta un satélite espacial, esto es muy importante ya que ello determina su resolución espacial y espectral.

Básicamente el procedimiento para realizar estos estudios consta de dos partes esenciales: la adquisición de datos, y el análisis de estos.

La adquisición de datos involucra a:

1) La fuente de energía 2) La propagación de ésta a través de la atmosfera 3) Interacción de la energía con la superficie terrestre 4) Retransmisión de energía por la atmosfera 5) Sensores orbitales o transportados en el aire 5)Generación de datos digitales o analógicos .

El análisis de datos implica:

1) El examen e interpretación de los datos obtenidos 2) Una referencia de los datos sobre los recursos estudiados 3) Compilación de toda la información en forma de mapas, informes o SIG para finalizar obteniendo el producto listo para presentar a los usuarios de manera fácil.

ENERGÍA Y PRINCIPIOS DE RADIACIÓN

Radiación Electromagnética (REM)

Es preciso entender cómo la REM es generada, propagada, y modificada puesto que es la base del sistema de sensores remotos.

Las ondas electromagnéticas (están formadas por un campo eléctrico y un campo magnético perpendiculares entre sí y a la dirección de propagación, y viajan a través del espacio sin necesitar de un medio físico, a través de los fotones. El espectro electromagnético de radiación incluye diferentes ondas que van desde las de radio, microondas, ondas infrarrojas, luz visible, luz ultravioleta, rayos X, hasta rayos gamma, según su longitud. La luz visible está entre los 300 y 700 nanómetros, del rojo al azul.

La teoría básica de ondas explica cómo toda esta energía se transporta. La distancia de un máximo de la onda con el de la siguiente es la “longitud de onda”, mientras que el número de picos que pasan por un punto fijo en el espacio por unidad de tiempo es la frecuencia.

La ecuación de Max Planck deja claro cómo las ondas electromagnéticas de alta frecuencia tienen una longitud de onda corta y mucha energía mientras que las ondas de baja frecuencia tienen grandes longitudes de onda y poca energía.

El comportamiento de las radiaciones electromagnéticas depende de su longitud de onda. Cuando la radiación electromagnética interactúa con átomos y moléculas puntuales, su comportamiento también depende de la cantidad de energía por quantum que lleve.

El Espectro Electromagnético (EEM)

Las ondas electromagnéticas cubren una amplia gama de frecuencias o de longitudes de ondas y pueden clasificarse según su principal fuente de producción. La clasificación no tiene límites precisos (Leonberger 2002, pp. 425-427). No hay un corte neto entre una región y la siguiente.

Principalmente se definen según su longitud de onda, frecuencia y energía.

La región del espectro que corresponde a la parte visible es muy pequeña, sin embargo la mayoría de la radiación que llega a la Tierra es de esta naturaleza.

La mayoría de los sistemas de sensores remotos operan en una o varias fajas del espectro visible, el infrarrojo y microondas.

Región del espectro

Intervalo de frecuencias (Hz)

Radio-microondas

0-3.0·1012

Infrarrojo 3.0·1012-4.6·1014

Luz visible 4.6·1014-7.5·1014

Ultravioleta 7.5·1014-6.0·1016

Rayos X 6.0·1016-1.0·1020

Radiación gamma

1.0·1020-….

Todos los cuerpos, incluso los de los lugares más inhóspitos del Universo emiten algún tipo de radiación (excepto los agujeros negros-¿). Sin embargo la cantidad de emisión y longitud de onda varía según la naturaleza e interacción con la energía de cada cuerpo.

El Color

La teoría básica de los colores hecha por Thomas Young explica que la retina humana posee 3 tipos de sensores en los cono : los que son sensibles a la luz roja, los sensibles a la luz azul y los sensibles a la luz verde. Los ojos capturan la energía del espectro magnético entre 400 y 700 nanómetros, el azul corresponde de entre 440 a 520 nanómetros, el verde hasta los 530 y el rojo a partir de 570 nanómetros. La respuesta humana al color está determinada por la proporción de la actividad neuronal de estos tres sensores (Daniel J. Pérez, 2007). Con la combinación de estos tres colores pueden obtenerse el resto de los que pertenecen al arcoíris.

La percepción de un color es influenciada por varios factores cómo la intensidad de luz del ambiente, su tamaño o cercanía con otros objetos, así como las características peculiares de los ojos de los individuos. Por esto es difícil clasificar el color y hablamos de brillo o luminosidad (aproximación del brillo real percibido).

Modelo RGB (síntesis aditiva)

Se refiere a la formación de los colores sumando las diferentes luces en sus distintas longitudes de onda. Los colores primarios son rojo, verde y azul. La suma de todos los colores es la luz blanca, y la ausencia de luz (de color) es el negro. La suma de dos colores primarios en partes iguales resulta en un color secundario: amarillo, cian y magenta.

Modelo CMY (síntesis sustractiva)

Esta se refiere a la obtención de colores por mezclas de pigmentos. Los colores primarios de este modelo son los que se crean por la absorción de ciertas longitudes de ondas: cian, magenta y amarillo.

La síntesis sustractiva necesita de la luz blanca para su creación. Cuando la luz blanca llega a una superficie los pigmentos que ésta contiene absorben la luz de todas las ondas excepto la de sus colores, que se reflejan a la atmosfera y podemos así percibir.

Si se suman en partes iguales dos de sus colores primarios dan un color secundario: azul, verde o rojo. La suma de los colores da negro, la ausencia de los colores sustractivos da blanco.

Los colores primarios de ambos modelos además de que se pueden obtener tonalidad de color, también se puede representar cuantitativamente mediante un grupo de 3 números. A su vez estos pueden ser impresos en un conjunto de ejes tridimensionales dónde cada eje representa un color RGB. Los 3 coeficientes definirán la cantidad de colores primarios necesarios para producir cualquier tonalidad (Daniel J. Pérez, 2007).

LA ATMOSFERA

Es una gran mezcla de gases formada principalmente (>99%) por nitrógeno, oxígeno y argón. Los principales gases atmosféricos que absorben radiación son el CO2, oxigeno, vapor de agua, ozono, metano, óxido nitroso y monóxido de carbono. Estos gases afectan de forma crucial el equilibrio de la energía global de la Tierra.

Se divide en capas: troposfera, estratósfera, mesosfera y termosfera, se diferencian en temperatura y altitud.

Interacciones de la Radiación y la Atmósfera

Mediante la radiación se transmite la energía que proviene del Sol, y viaja a través del espacio o a través de material. La transferencia de radiación es elemental para el uso de sensores remotos.

La atmósfera es el medio en el cual la radiación del Sol viaja hasta llegar al sensor. O también la radiación emitida directamente de la superficie de la Tierra y sus objetos viaja a través de ella. Sin embargo, las características (volátiles) de la atmósfera afectan la radiación que reincide por su capacidad de absorción, dispersión y emisión de la misma.

- Dispersión

Ocurre cuando la dirección de la energía se cambia de forma impredecible por las partículas de la atmósfera.

- Absorción

Cuando la energía atraviesa el medio (atmósfera) una porción de esta es capturada por ciertas partículas. Al hacer esto sufre una transformación, a otra forma de energía que puede emitirse en otras partes de la atmósfera La absorción en la atmósfera la llevan a cabo principalmente el vapor de agua, el CO2 y el O3.Mediante la transmisión la radiación se propaga a través de un medio.

Interacción de la Energía con la Superficie de la Tierra

Cada objeto posee una “firma espectral” que es propia de cada material (estructura atómica y molecular). Esta firma está relacionada con la capacidad de reflejar, absorber o transmitir de cada material. Al no absorber ciertas longitudes de onda se reflejan hacia el espacio, y de esta energía emitida depende la respuesta espectral.

ReflexiónEs el cambio de dirección de una onda cuando entra en contacto con una superficie y se desvía regresando al medio formando un ángulo oblicuo al de la luz incidente. La forma en que los objetos reflejan la energía está determinada por la forma de su superficie. Puede ser especular (en superficies planas, con ángulos de incidencia y reflexión iguales) ó puede ser difusa (en superficies ásperas que refleja uniformemente en todas direcciones.

Las reflexiones de una superficie pueden ser cuantificadas midiendo la energía incidente reflejada, en función con la longitud de onda y el espectro de reflexión.

Conocer las propiedades espectrales de los materiales es muy importante para la selección de las bandas espectrales que lo puedan reconocer desde el sensor.

Interacción de la Energía con los Materiales

La Tierra está cubierta primordialmente de agua, suelo, rocas y vegetación, y los rangos de longitud de onda de cada uno de estos materiales son diferentes, reflejan energía en diferentes longitudes de onda.

Interacción de la REM con la Vegetación (visible al infrarrojo cercano)

Los sensores pueden medir la reflectancia espectral típica de la vegetación en índices aproximados de entre450 y 700 nanómetros. La clorofila con sus pigmentos, es el catalizador para la fotosíntesis, su función es absorber la radiación solar. Cuando una planta es sometida a cualquier tipo de estrés disminuye su producción de clorofila, entonces provoca una disminución en la absorción de las bandas azul y rojo, y aumenta su reflectancia (vemos las plantas amarillentas).

Interacción de la REM con el Suelo

Los factores que aumentan la reflectancia del suelo son: la humedad, la textura superficial, la presencia de óxido férrico así como la presencia de materia orgánica. Mientras mayor cantidad de humedad y de óxido de hierro hay disminución de reflectividad, al menos en la longitud de onda visible.

Interacción de la REM con el Agua

La reflectancia del agua depende de varios factores cómo: la profundidad del cuerpo de agua, su rugosidad superficial y el contenido de materiales disueltos en ella. La mayor reflectividad del agua se produce en el azul (400 a 500 nanómetros) y se reduce en el infrarrojo próximo.

Interacción de la REM con las Rocas y Minerales

Los rasgos que caracterizan las respuestas espectrales de los minerales y /o rocas dependen de procesos electrónicos y transiciones vibracionales, que ocurren en la estructura atómica y molecular de los mismos (Daniel J. Pérez, 2007).

Sistemas de Sensores/ Métodos de Percepción Remota

Los satélites pueden ser ubicados a distintas distancias de la tierra y a velocidades diferentes de la de rotación. De esto depende la cantidad de satélites necesarios para una cobertura mundial y la potencia que deben tener.La potencia necesaria para emitir desde una órbita baja es muy inferior a la necesitada en casos de mayor altura de la órbita. Según estas características los satélites se dividen en:

- Satélites Geoestacionarios (GEO)Orbitan a 35848 km. sobre el ecuador terrestre. A esa altitud, el periodo de rotación del satélite es exactamente de 24 h. y, por lo tanto, parece estar siempre sobre el mismo lugar de la superficie del planeta.

- Satélites de órbita terrestre media (MEO)Se encuentran a una altura de entre 10075 y 20150 km. Su posición relativa respecto a la superficie, no es fija. En la actualidad no existen muchos satélites MEO, y se utilizan para posicionamiento.

- Los satélites de órbita baja (LEO) Los LEO prometen un ancho de banda extraordinario y una latencia reducida. Orbitan generalmente por debajo de los 5035 km. y la mayoría de ellos se encuentran entre los 600 y 1600 km.

Tienen diferentes clasificaciones- Según su aplicación en: Científicos, comunicaciones, meteorológicos, exploración de Recursos Naturales, navegación y militares.- Según su tamaño: picosatélites (<1Kg), nanosatélites (1-10Kg), microsatelites (10-100Kg), minisatélites (100-500Kg), satélites medianos (500-1000Kg) y macrosatélites (>1000Kg).

Según el origen de su fuente de radiación pueden ser activos (con una fuente propia de radiación, no depende de otra externa), y pasivos (depende de una fuente de radiación externa, el Sol).

Estructura de la Imagen y Adquisición de Datos

La información colectada por los sensores remotos puede ser fotográfica o electrónica. En esta ciencia al hablar de una fotografía se refiere a la impresión directa sobre una película sensible a la luz mediante reacciones químicas. Cuando se habla de imágenes se hace referencia a cualquier presentación gráfica de datos.

Las imágenes obtenidas a partir de los sensores remotos son una representación de los objetos terrestres (Daniel J. Pérez, 2007).

Una imagen satelital está compuesta por un raster con celdas que tienene un arreglo espacial según el sistema de coordenadas que consta de rows (columnas horizontales) y samples (columnas verticales). Cada una de estas celdas forma un pixel en el raster. Cada uno de estos pixeles tiene un atributo númerico que indica el nivel de gris de esa celda. EL nivel de gris se llama “número digital” y no es para nada dado al azar, sino que representa la intensidad de energía electromagnética medida por el sensor en diferentes albedos en cierta área de la superficie terrestre.

Resolución de una Imagen

Se refiere al área que el pixel de la imagen cubre en la superficie terrestre. Hay diferentes tipos de resolución:

Resolución geométrica o espacial

Es la medida del objeto más pequeño que los sensores pueden cubrir o registrar, está representado por cada pixel (Daniel J. Pérez, 2007).

Resolución Espectral

Es la capacidad de los sensores de distinguir diferentes albedos de la superficie. Se relaciona con: el valor de intervalos de longitud de onda y con la cantidad de bandas ue el sensor puede registrar en el espectro electromagnético (Daniel J. Pérez, 2007).

Resolución Radiométrica

Está dada por el número de niveles digitales, cuánto mayor es el número de niveles de grises, mayor es la resolución radiométrica.

Resolución Temporal

Es la frecuencia en el tiempo con la cual el sensor obtiene imágenes de una misma área (Daniel J. Pérez, 2007).