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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE FILOSOFíA Y LETRAS COLEGIO DE GEOGRAFÍA SENSORES REMOTOS: CATÁLOGO E IMPORTANCIA T E S I S Que para obtener el título de LICENCIADO EN GEOGRAFÍA P R E S E N T A Sánchez Sánchez Ricardo Cristopher DIRECTOR DE TESIS Lic. Jaime Morales Ciudad Universitaria, Cd. Mx., 2017 UNAM – Dirección General de Bibliotecas Tesis Digitales Restricciones de uso DERECHOS RESERVADOS © PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN TOTAL O PARCIAL Todo el material contenido en esta tesis esta protegido por la Ley Federal del Derecho de Autor (LFDA) de los Estados Unidos Mexicanos (México). El uso de imágenes, fragmentos de videos, y demás material que sea objeto de protección de los derechos de autor, será exclusivamente para fines educativos e informativos y deberá citar la fuente donde la obtuvo mencionando el autor o autores. Cualquier uso distinto como el lucro, reproducción, edición o modificación, será perseguido y sancionado por el respectivo titular de los Derechos de Autor. Sensores remotos: catálogo e importancia 2 Agradecimientos Agradezco principalmente a mis padres: Alejandro Sánchez y Ángela Sánchez, por todo el apoyo moral y económico que me han brindado a lo largo de toda una vida. Además, a toda mi familia en general, las diversas enseñanza que me han brindado en varios ámbitos. Doy las gracias a mi asesor el profesor Jaime Morales por su amplia disposición y apoyo durante la realización de mi trabajo de titulación. Además, a mis profesores sinodales: el profesor José Balanzario, el profesor Gilberto Núñez, el profesor Mario Casasola y el profesor José Luis Hernández, por su tiempo de revisión de tesis y su apoyo brindado. En general, agradezco a muchas personas a lo largo de mi vida, que tanto directa como indirectamente han influido en mi aprendizaje, no tan solo académico, sino, en conocimientos de la vida en general de diversos aspectos. Sensores remotos: catálogo e importancia 3 Contenido INTRODUCCIÓN ............................................................................................................... 5 CAPÍTULO 1. LA PERCEPCIÓN REMOTA ........................................................................................ 10 1.1 CONCEPTOS PRECURSORES ......................................................................... 11 A) Época espacial ................................................................................................. 11 B) Conceptos ........................................................................................................ 12 1.2 SISTEMAS EN PERCEPCIÓN REMOTA ........................................................... 14 A) Fuente de energía ............................................................................................ 14 B) Interacción con el medio ................................................................................... 18 C) Interacción con la superficie terrestre ............................................................... 21 D) Sensores Remotos ........................................................................................... 24 E) Plataformas ...................................................................................................... 29 F) Órbitas ............................................................................................................. 31 G) Radar ............................................................................................................... 31 CAPÍTULO 2. CATÁLOGO DE SENSORES REMOTOS UTILIZADOS EN GEOGRAFÍA .................. 34 2.1 MISIONES PARA RECURSOS NATURALES .................................................... 36 2.1.1 PROGRAMA LANDSAT (Sensores multiespectrales) .................................. 36 2.1.2 PROGRAMA SPOT (Sensores multiespectrales) ......................................... 43 2.1.3 SENSOR MODIS (Sensores hiperespectrales) ............................................ 46 2.1.4 PROGRAMA ASTER (Sensores hiperespectrales) ...................................... 49 2.1.5 PROGRAMA IKONOS (Sensores con alta resolución espacial) ................... 52 2.1.6 PROGRAMA QUICKBIRD (Sensores con alta resolución espacial) ............. 54 2.1.7 PROGRAMA WORLDVIEW (Sensores con alta resolución espacial) ........... 56 2.1.8 PROGRAMA GEOEYE 1 (Sensores con alta resolución espacial) ............... 61 2.1.9 PROGRAMA RAPID EYE (Sensores con alta resolución espacial) .............. 63 2.2. SATÉLITES METEOROLÓGICOS .................................................................... 65 2.2.1. PROGRAMA GOES (Geostationary Operational Environmental Satellites) . 65 Sensores remotos: catálogo e importancia 4 2.2.2. PROGRAMA METEOSAT ........................................................................... 71 2.2.3. PROGRAMA NOAA .................................................................................... 75 2.2.4. PROGRAMA GMS (Satélite meteorológico Geoestacionario) de Japón ...... 78 2.3. SENSORES DE RADAR .................................................................................... 81 2.3.1. PROGRAMA RADARSAT ........................................................................... 81 2.3.2. PROGRAMA LIDAR .................................................................................... 85 2.4. SENSORES MIXTOS ........................................................................................ 88 2.4.1. PROGRAMA SENTINEL ............................................................................. 88 CAPÍTULO 3 APLICACIONES GENERALES DE LA PERCEPCIÓN REMOTA ................................. 92 3.1. LIMITACIONES EN EL USO DE LA PERCEPCIÓN REMOTA .......................... 93 3.2. ¿CUÁL ES EL MEJOR SENSOR REMOTO? .................................................... 94 3.3. VARIABLES QUE NOS FACILITA EL USO DE LA PERCEPCIÓN REMOTA .... 96 3.4. APLICACIONES POR TIPO DE IMÁGENES ..................................................... 96 3.5. ESTUDIOS DE CASO ....................................................................................... 98 3.6. USO INSTITUCIONAL EN MÉXICO ................................................................ 103 CONCUSIONES ............................................................................................................ 104 REFERENCIAS ............................................................................................................. 108 Sensores remotos: catálogo e importancia 5 INTRODUCCIÓN En la actualidad el desarrollo tecnológico está teniendo cada vez una mayor afectación a todas las disciplinas científicas y la geografía no es la excepción. Particularmente con el desarrollo de la era de la informática, la geografía ha tenido un gran impacto que le permitió el uso de algunas técnicas informáticas. Esto es de gran importancia ya que facilita un estudio más amplio de las actividades sociales, debido a que se puede procesar una mayor información en menor tiempo y relativamente menores costos (Buzai, 2004). Específicamente, en los últimos años surge una ciencia llamada percepción remota, que en el sentido más general es definida como “la ciencia de observación a distancia”, la cual tiene un amplio campo de aplicación, como la astronomía, la medicina, etc. La percepción remota es una ciencia aplicada, y como tal muy dependiente del estado de desarrollo tecnológico existente en cada momento (Chuvieco, 1996). Por lo cual es una técnica que se encuentra en constante actualización y es necesario que las distintas disciplinas le den un seguimiento adecuado. En estos tiempos, nos resulta inconcebibleuna medición atmosférica o una predicción climatológica sin ayuda de estas herramientas; el monitoreo de la deforestación, de los incendios, del ataque de plagas o bien de desastres naturales o antropogénicos se realiza por estos medios cada día con más frecuencia. Como problema se puede visualizar que, la percepción remota es una herramienta necesaria en el análisis espacial de los temas geográficos, por ello tener habilidades de esta área ayudará a tener el conocimiento y manejo de herramientas para solucionar algún problema de tipo espacial geográfico. Por otra parte, esta herramienta no está tan desarrollada en el colegio de geografía, por consiguiente, los alumnos no tienen los conocimientos suficientes en el tema, y muchas áreas del conocimiento también tienen la necesidad de utilizarla, lo cual significa una competencia directa en el campo laboral que puede llegar a afectar en el desarrollo de las actividades del geógrafo. En la actualidad, el conocimiento de las características de los distintos sensores remotos, es de gran utilidad debido a que nos permite tener una gama de herramientas más extensas a la hora de enfrentar un problema. Por lo cual, resulta necesario el uso de imágenes obtenidas de los diferentes sensores remotos y conocer sus diferencias. Específicamente, al conocer características tales como: resolución espacial, resolución radiométrica, resolución espectral y resolución temporal, nos ayudarán a poder elegir qué sensor utilizar y así obtener las imágenes adecuadas en cada estudio particular. Estas características con el avance tecnológico se van modificando en cada sensor con el paso de los años. Sensores remotos: catálogo e importancia 6 El auge en la era espacial, ha ocasionado que haya una constante actualización y surgimiento de nuevos satélites para la exploración terrestre y así permitir que la aplicación de la percepción remota vaya en incremento. Este incremento también se muestra debido a la importancia que cada vez tiene el uso de la percepción remota en distintas áreas del conocimiento. Se seleccionó este tema debido al auge actual en la aplicación de técnicas de percepción remota en la geografía de diversos países. También por los requerimientos del campo laboral que no siempre se encuentran cubiertos por los estudiantes. Además de poner al alcance conceptos básicos en un documento para mostrar los primeros pasos en el uso de imágenes satelitales. El primer paso para el uso de estas técnicas es conocer las propiedades físicas de las posibles imágenes a utilizar en cada estudio, estas características vienen determinadas por el sensor que capta las imágenes. Estas imágenes en varios casos pueden costar mucho dinero dependiendo de sus características. Para poder hacer uso de las imágenes de la percepción remota, surge un problema, debido a que la obtención de esta información se encuentra dispersa y muchas fuentes no están actualizadas o se encuentra disponibles en otros idiomas. Aquí se plantea recolectar información de cada una de esas fuentes y concentrarlas en un solo documento. También mostrar conceptos necesarios de percepción remota que faciliten la comprensión del tema mostrado, ya que es necesario tener algunos conocimientos previos de percepción remota para un mejor entendimiento de las imágenes obtenidas. Se propone realizar un documento en donde se muestren estas características de una manera sintetizada y simple. Se busca que sea de fácil comprensión para los lectores interesados en el tema. Un aspecto importante que se debe de mencionar es la presencia de la percepción remota en el mercado laboral actual de distintas empresas. Por esta razón el manejo de imágenes satelitales puede permitir que aumenten nuestros sueldos laborales, además de la mancuerna que esta hace con los sistemas de información geográfica. Sin embargo, se dan muchos casos que estos conocimientos no son del entendimiento de muchos alumnos en el colegio de geografía, si bien es sólo una rama de la geografía, esta rama es muy solicitada últimamente en el campo laboral. Como justificación se puede argumentar la importancia que últimamente está teniendo la percepción remota en la geografía y específicamente el uso de imágenes obtenidas por distintos sensores remotos, ha creado la necesidad de almacenar la información de las características de cada sensor en un mismo espacio, con la información más actualizada de cada sensor. El uso de los sensores de observación remota origina una nueva forma de estudio de la superficie terrestre, así como la obtención de una gran cantidad de información Sensores remotos: catálogo e importancia 7 de manera económica, dependiendo del tipo de sensor utilizado. Debido a lo anterior es necesario el conocimiento de cada tipo de misión de percepción remota para cada problema específico. La información que se presentará mostrará elementos básicos de percepción remota para que se tengan los conocimientos necesarios de dicha área del conocimiento. Estos conocimientos serán de gran utilidad para comenzar en el estudio de esta rama. Por otra parte, el contar con un catálogo de sensores remotos permitirá tener información sintetizada de varios de los sensores más utilizados actualmente para la obtención de imágenes. La utilidad de recopilar esta información beneficiará a los estudiantes de licenciatura de diversas áreas que necesiten conocer los elementos importantes de los sensores remotos y de esa forma poder utilizar las imágenes que estos originan. También puede ayudar a otras personas que podrían interesarse en el uso de la percepción remota. Aunque se encuentren en áreas en donde no se contemple el uso de esta ciencia, el interesado puede descubrir cierta utilidad a su área del conocimiento. Así el objetivo general es realizar un catálogo con los diferentes sensores remotos, tomando en cuenta sus características más importantes, así como describir su importancia en el estudio de algunos problemas de corte espacial y su importancia en el campo laboral de los geógrafos, y como objetivos particulares: - Dar algunos términos usados en percepción remota con la finalidad de tener los conocimientos básicos para el entendimiento de los sensores remotos. - Obtener la resolución espacial, espectral, radiométrica y temporal de cada sensor. - Describir las posibles aplicaciones dentro de la geografía de los sensores remotos y su importancia en el campo geográfico actual. Ahora bien, este estudio, sólo se referirá a la parte de la percepción remota competente dentro de la geografía. Específicamente abordará los sistemas espaciales de percepción remota, que obtienen información de la superficie terrestre. En la geografía actual es necesario el uso de sensores remotos para la mayoría de las ramas de esta ciencia, debido a la obtención de información de una manera rápida, además permite hacer estudios temporales de un mismo lugar debido al recorrido orbital de cada sensor. Con base en lo anterior definiremos percepción remota a partir de nuestro tema de interés. Percepción remota: Registro de información de un objeto sin entrar en contacto directo con este, en la región del ultravioleta, visible, infrarrojo y microondas, por medio de instrumentos como escáneres y cámaras localizadas en plataformas móviles (avión o satélite) y el análisis de la información adquirida por medio de Sensores remotos: catálogo e importancia 8 técnicas de fotointerpretación, interpretación de imágenes y procesado de las mismas (Sabins, 1978). La definición anterior abarca desde la obtención de las imágenes de un sensor remoto, pasando por el procesado de las imágenes y su posterior interpretación. En general el sistema de percepción remota según Chuvieco (2002), se compone de las siguientes seis partes: 1- Fuente de energía, es donde se origina la energíaque posteriormente captará el sensor, donde la más importante es la del sol. Esta energía puede ser tanto natural como artificial. 2- Cubierta terrestre, se forma por los distintos materiales existentes en la superficie terrestre que reciben la fuente de energía y la reflejan dependiendo de sus características físicas. 3- Sistema sensor, compuesta por el sensor y la plataforma. Es quien recibe la energía reflejada de la cubierta terrestre, la codifica, graba o envía directamente al sistema de recepción. 4- Sistema de recepción-comercialización, donde se recibe la información de cada plataforma, se guarda en un formato adecuado y se distribuye a los interesados. 5- Interprete, es quien convierte la información obtenida en temática de su interés y facilitar la evaluación de problemas de estudio. 6- Usuario final, analiza el documento después de la interpretación, así como dictaminar las consecuencias del mismo. Nos centraremos principalmente en el “sistema sensor”, compuesto por el sensor, propiamente dicho y la plataforma que lo alberga. Además una breve explicación de los demás sistemas, con la finalidad de una mejor comprensión del sistema de percepción remota. El propósito de este sistema sensor es de captar la energía procedente de la superficie terrestre, codificarla y enviarla a un sistema de recepción. De acuerdo a lo anterior se pretende abarcar los distintos tipos de sistemas sensores, así como sus características y algunas de sus aplicaciones en el campo de la geografía. El tipo de investigación que se realizará es de gabinete; de recopilación y análisis, esto es debido a su gran extensión que no permite determinar un área de estudio específica, por esto no fue posible llevar a cabo trabajo de campo. A su vez se va a dividir en descriptiva y explicativa. Esto es debido a que uno de sus objetivos es el de presentar una breve orientación de la percepción remota, con la finalidad de dar a conocer al lector los aspectos básicos para utilizar las imágenes de algún sensor remoto. Para esto se presentarán algunos conceptos para su comprensión, así como una metodología general de uso de manera descriptiva. Sensores remotos: catálogo e importancia 9 Ésta información será recabada a partir de numerosas fuentes tanto institucionales como oficiales. La parte explicativa se centrará a partir de la información previamente recopilada y se orientará a la determinación de las aplicaciones de los distintos sensores remotos en diferentes tipos de estudios. Para esto se tomarán en cuenta aspectos físicos de cada sensor. De esta forma nos permitirá mostrar la importancia de conocer las imágenes de sensores remotos. El método de investigación a realizar es de carácter deductivo debido a que se parte de conocimientos generales y básicos de la percepción remota, posteriormente nos centraremos en aspectos particulares como los diversos tipos de sensores, pero partiendo de aspectos generales. Posteriormente se mostrarán los usos particulares de cada tipo de sensor. Así, la primera parte de esta investigación se utilizará para abordar algunos conceptos de percepción remota, ordenados a partir de los componentes de un sistema de percepción remota, con la finalidad de entender los tecnicismos utilizados en la descripción de cada sensor remoto y comprender mejor su utilización. Además de poder describir algunos principios de percepción remota que son necesarios para poder abordar el tema. Esta parte permitirá que los usuarios que no estén familiarizados con la percepción remota puedan tener nociones básicas de su uso. La segunda parte tiene como finalidad la descripción del sistema sensor del cual principalmente se realizará un catálogo de los sensores remotos más utilizados de distintos países, y de su importancia en el campo de la geografía. Posteriormente se mencionarán algunas de las posibles aplicaciones que cada sensor puede tener en el campo de la geografía de una manera general. Al terminar la investigación, el resultado obtenido permitirá comprender la importancia de la utilización de la percepción remota con el conocimiento de las distintas características de los sensores remotos. Sensores remotos: catálogo e importancia 10 CAPÍTULO 1. LA PERCEPCIÓN REMOTA Imagen: Primera imagen satelital de la Tierra (Fuente: https://apod.nasa.gov/apod/image/0004/first_tiros1_big.gif) Sensores remotos: catálogo e importancia 11 1.1 CONCEPTOS PRECURSORES Los antecedentes de los estudios de percepción remota surgen a finales del siglo XIX y ésta área de conocimientos se desarrolla en el siglo XX. Las primeras experiencias en teledetección se realizaron a partir de fotografías obtenidas de globos para observar la superficie (Hyatt, 1988). El siguiente año se realizó algo parecido, pero sobre la superficie de Boston, en eso momento se puso interés en esta nueva perspectiva en la visión de la organización urbana. Posteriormente existió un desarrollo en fotografías tomadas desde aviones. En las primeras etapas los sensores utilizados se montaban sobre aviones, en 1915 se desarrolló la primera cámara aérea propiamente dicha y esta etapa está ligada a aplicaciones con fines de uso militar y estratégicos. En la segunda guerra mundial fue donde se dio un notable avance en las técnicas de teledetección aérea y un avance en la tecnología de las cámaras. Esta época es de gran importancia ya que se desarrollaron las primeras películas de infrarrojo. También se desarrollaron nuevos sensores como el radar, que dieron un avance importante en los sistemas de comunicaciones (Chuvieco, 2002). Posteriormente a la segunda guerra mundial, estas innovaciones se extendieron a usos civiles, es en donde se dieron las primeras aplicaciones científicas de la percepción remota. Además, se dio una aplicación más generalizada del uso de fotografía obtenidas de sensores aéreos. Las innovaciones fueron de uso civil y mostraron sus aplicaciones para la mejora del conocimiento, primeramente, se usaron para temas de recursos naturales. A) Época espacial En los años 50s etapa que se le denominó guerra fría, se desarrollaron los primeros lanzamientos de satélites que dieron inicio a la ola espacial y marcó el nacimiento de la teledetección espacial. Es partir de los años 60s que se da un auge en la era espacial, la NASA pone en órbita los primeros satélites meteorológicos que dio inicio con el lanzamiento del satélite TIROS-1. La NASA continuó con misiones con la finalidad de aumentar su desarrollo. Una de esas misiones fue el experimento de un sensor multi-espectral en el Apollo-9, que reflejaba el constante avance en la tecnología. Fue en esta época que se dio el desarrollo formal de la percepción remota. La expresión “percepción remota” fue acuñada por geógrafos del departamento de investigación naval de Estados Unidos en los años 60 (Cracknell , 1991). https://www.google.com.mx/search?tbm=bks&q=inauthor:%22Arthur+P.+Cracknell%22&sa=X&ved=0ahUKEwjEz6H64rzVAhVE2yYKHduVBxIQ9AgIVjAF Sensores remotos: catálogo e importancia 12 Posteriormente la NASA puso en órbita el ERTS (Earth resources technollogy satellite), desarrollado exclusivamente para la cartografía. Después fue bautizado por el nombre de LANDSAT, el cual ha sido de los más fructíferos hasta la actualidad en cuanto a sus aplicaciones civiles. Con la salida de LANDSAT, se despertó el interés de la comunidad científica internacional. Fue en ese momento que la percepción remota creció exponencialmente en muchas partes de mundo, por miles de estudios desarrollados sobre las imágenes proporcionadas por estos satélites (Chuvieco, 1996). Tiempo después se lanzaron proyectos diseñados para la observación específica de diversos fenómenos o ambientes, específicamente se lanzaron satélites destinados a la observación de los océanos (SEASAT),el de investigación térmica HCMM, el satélite francés SPOT en estudios de vegetación, etc. En los próximos años continuará al predominio de la explotación comercial de los programas espaciales debido al aumento en la tecnología y el interés de monitorear la superficie terrestre de los distintos países (Chuvieco, 2002). B) Conceptos La percepción remota ofrece ventajas únicas frente a otros medios de observación de la Tierra, como la teledetección aérea y el trabajo de campo, aunque no se sustituyen estas últimas. Las ventajas de la percepción remota se derivan a partir de que la observación se realiza desde el espacio (Harris, 1987). Los sensores ubicados en plataformas satelitales y aéreas cubren prácticamente la totalidad del planeta y por ello, nos proporcionan datos sobre zonas remotas y de difícil acceso donde, de no ser por esta técnica la información sería difícil de conseguir. Dado que este trabajo se centra en la recolección de información, resulta fundamental dar cuenta de la definición que aquí se le atribuye. A continuación, se incluyen los conceptos de percepción remota básicos para su entendimiento: Sensores remotos: Son dispositivos electrónicos que son sensibles a la radiación (Verbyla, 1995). Estos sensores pueden ser aerotransportados o satelitales. A su vez estos se pueden dividir en activos y pasivos (Aguirre, 2009). Es un dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, y transformarlas en variables eléctricas. Estas características pueden ser: temperatura, distancia, humedad, etc. Los sensores se pueden dividir en 2 grupos, los cuales son: Activos: iluminan el objeto de estudio con su propia fuente de energía. Pasivos: detectan la radiación proveniente de fuentes naturales (emisión térmica o solar reflejada). Sensores remotos: catálogo e importancia 13 Energía Electromagnética: Consiste en un campo eléctrico que varía en magnitud en una dirección perpendicular a la dirección en la que la radiación se desplaza, y un campo magnético orientado en ángulo recto con el campo eléctrico (ambos viajan a la velocidad de la luz). La radiación electromagnética tiene dos características: la longitud de onda λ y frecuencia. Se puede detectar a partir de su interacción con la materia. En esta interacción la energía se comporta como muchos cuerpos individuales llamados fotones (Sabins, 1997). Imagen satelital: Es una representación capturada por un sensor montado en un satélite artificial, y brinda información visual; ya que muestra la geografía de un territorio específico, ya sea una ciudad, un país etc., o también algún espectro determinado de ondas electromagnéticas. Escala: Proporción entre una longitud medida en un mapa y la longitud correspondiente sobre el terreno. Puede expresarse con palabras; en forma de línea dividida en segmentos (Monkhouse, 1978). Banda: Es el rango de longitudes de onda de la que se recopilan los datos de un dispositivo de grabación (Drury, 1998). Resolución espacial: Precisión del detalle visible de una imagen. Por ejemplo, supongamos que se están tomando fotografías de una distancia de 10cm y 1 metro. La fotografía tomada a un centímetro tiene un mayor detalle (resolución espacial) comparada con la fotografía tomada a 1 metro. En percepción remota generalmente la resolución espacial equivale al tamaño de pixel. (Verbyla, 1995). Resolución espectral: Indica el número y anchura de las bandas espectrales que puede discriminar el sensor (Chuvieco, 1996). El número de bandas se utiliza asimismo para explicar cómo mide el sistema la reflectancia de varias longitudes de onda distintas. Resolución radiométrica: Es la sensibilidad del sensor, esto es, a su capacidad para detectar variaciones en la radiancia espectral que recibe. En una codificación digital la resolución radiométrica se expresa en el número de bits que precisa cada elemento de la imagen para ser almacenado (Chuvieco, 1996). Resolución temporal: Se refiere a la periodicidad con la que un sensor adquiere imágenes de la misma porción de la superficie terrestre y está en función de las características orbitales de la plataforma (altura, velocidad, inclinación), Así como del diseño del sensor, principalmente su ángulo de abertura (Chuvieco, 1996). Escala: Es la relación o proporción entre un documento (mapa, foto e imagen) y la realidad y nos informa de la cantidad de información susceptible de ser extraída del documento (Sobrino, 2000). Sensores remotos: catálogo e importancia 14 Ancho de barrido: Es la porción de la Tierra que los sensores ven a su paso, esta varía en función del sensor (decenas a cientos de km). En otras palabras es el campo de visión que determina el tamaño de una escena de una imagen. También se le conoce con el nombre de franja de barrido. Mapa: La representación en una superficie plana, a una escala establecida, de los rasgos físicos (naturales, artificiales o ambos) de una parte o de toda la superficie de la Tierra con la orientación que se le indique (IPGN, 1974). Plataforma: Es el lugar donde se coloca o monta cada sensor remoto para obtener una visión de conjunto de las escena (Lira, 1994). Satélite: Es cualquier objeto que orbita o gira alrededor de otro objeto, estos pueden ser tanto naturales como artificiales. 1.2 SISTEMAS EN PERCEPCIÓN REMOTA El concepto de percepción remota con el cual nos basamos, nos menciona que se trata del registro de información de la superficie terrestre a partir de diversas regiones del espectro electromagnético, por medio de sensores remotos. Sin embargo, para realizar un análisis de este registro son necesarias varias etapas de procesamiento. Estas etapas en su conjunto forman un sistema de obtención de información, el cual llamaremos “sistema de percepción remota”. Un sistema de percepción remota está conformado por 6 elementos (Chuvieco, 1996). Fuente de energía, cubierta terrestre, sistema sensor, sistema de recepción comercialización, interprete y usuario final. En este caso solo se estudiarán los elementos que no incluyan un pre y post procesamiento computacional, es decir, se explicarán los mecanismos iniciales de obtención de la información de la superficie terrestre, sin entrar en el tratamiento digital. A) Fuente de energía La principal fuente de energía es la que proveniente del sol, el astro rey provee de la energía necesaria para los diversos procesos que permiten la vida en la Tierra. En la percepción remota es necesario tener una fuente de energía que brinde energía electromagnética al objeto de interés, esta energía puede ser natural o artificial. La principal fuente de energía natural es el sol. Energía electromagnética Es una combinación de campos eléctricos y magnéticos oscilantes, que se propagan a través del espacio transportando energía de un lugar a otro. Es decir, Sensores remotos: catálogo e importancia 15 está formado por un campo eléctrico que varía en magnitud en una dirección perpendicular a la dirección en la que la radiación se desplaza, y un campo magnético (M) orientado en ángulo recto con el campo eléctrico. (Ambos viajan a la velocidad de la luz(c)). Según el modelo de Maxwell (1860). Figura 1. Modelo de Maxwell, (fuente: http://432thedrop.com/9/post/2015/03/what-is- electromagnetic-radiation.html). Esta combinación de campos se manifiesta en la distribución de energía electromagnética y se propaga de un lugar a otro transportando energía. Las dos características más importantes de esta energía son: la longitud de onda y la frecuencia. La longitud de onda se refiere a la distancia entre crestas de ondas sucesivas, es decir, tomando en cuenta el modelo de Maxwell se refiere a la distancia entre el punto más alto de cada onda sucesiva. La frecuencia se refiere a la cantidad de ciclos por segundo que una onda que pasa por un punto fijo. Esta semide en Hertz (Hz), es equivalente a un ciclo por segundo. Estas características son inversamente proporcionales, es decir, mientras una aumenta la otra disminuye. Por ejemplo, una longitud de onda grande tendrá una frecuencia menor, lo cual significa que tardará más tiempo en pasar un ciclo por un punto dado. Espectro electromagnético Es precisamente a la distribución energética de estas ondas electromagnéticas a lo que se le denomina “espectro electromagnético”, fig. 2. Sensores remotos: catálogo e importancia 16 Figura 2. El espectro electromagnético (fuente: https://thecommonnuclear.wordpress.com/radiation- is-not-created-equal/) En la figura superior se ilustra un modelo de representación de la energía electromagnética, la cual se representa en orden decreciente con respecto a su longitud de onda, a su vez, también se muestra su frecuencia la cual aumenta a medida que la longitud de onda disminuye. Este arreglo de longitudes de ondas se le denomina espectro electromagnético (Campell, 1996). El espectro electromagnético se ha dividido en varias partes, a partir de sus respectivas longitudes de onda, los cuales son los siguientes: 1- Rayos gamma. Son las radiaciones de onda más corta, las cuales son menores a 0.01 nm (nanómetro), 1nm = una millonésima parte de un milímetro. Estos rayos son generados en las reacciones nucleares de las estrellas y por elementos radioactivos. 2- Rayos X. Radiaciones de longitudes menores a los 20 nm. Estos rayos pueden detectarse fotoeléctrica y fotográficamente. Estos rayos tienen aplicaciones en medicina, tales como radiografías etc. 3- Rayos ultravioleta. Ésta se comprende entre los 20 y los 380 nm. Son los que ocasionan quemaduras en la piel. 4- Radiación visible. Es la radiación comprendida en el intervalo de 400 a 700 nm. Nuestro sentido de la vista es capaz de detectar esta radiación y dependiendo de su longitud de onda comprende su color. La radiación comprendida de los 400 a 450 nm se visualiza con el color violeta. Las https://thecommonnuclear.wordpress.com/radiation-is-not-created-equal/ https://thecommonnuclear.wordpress.com/radiation-is-not-created-equal/ Sensores remotos: catálogo e importancia 17 longitudes de ondas más largas sucesivamente dan la impresión de los colores azul, verde, amarillo, naranja y rojo. 5- Radiación infrarroja. Se divide en: - Infrarrojo cercano: Comprende de los 700 a 1300 nm. Se caracteriza porque puede detectarse a partir de emulsiones especiales (capaz sensibles a la luz). También es llamado reflejado. - Infrarrojo medio: Comprende de 1.3 µm a 3 µm (Micras), 1 micra= una milésima parte de un milímetro. Es donde se entremezclan los procesos de reflexión de la luz solar y de emisión de la superficie terrestre. Es lo máximo que pueden captar las cámaras convencionales. - Infrarrojo lejano (térmico): Comprende de las 3 a las 14 micras. Incluye la porción emisiva de la superficie terrestre, es decir, comprende los cuerpos que emiten radiación en función de su temperatura. 6- Radiación de las microondas. Corresponden de la longitud de 1mm a un metro. Se utilizan en radioastronomía y hornos eléctricos. 7- Ondas de radio. Son las ondas con la mayor longitud. La cual puede llegar a varios metros de longitud. Son usadas ampliamente en las telecomunicaciones. Regiones del espectro electromagnético usadas en percepción remota En la percepción remota solo una parte del espectro electromagnético es usado, se divide principalmente en 3 grandes partes: región reflectiva, región emisiva las cuales corresponden a la región óptica y como última parte las microondas (Chuvieco, 2002). 1- Región reflectiva: Es la primer parte del espectro electromagnético utilizado en la percepción remota, como su nombre lo indica, es la zona dónde se emite la radiación de los cuerpos naturales a temperaturas corrientes de la superficie terrestre. Esta zona comprende varias partes: - Ultravioleta fotográfico: Esta comprende de los 0.3 a 0.4 micrómetros. Es la única parte de los rayos ultravioletas que se utiliza en percepción, debido a que puede captarse fotográficamente. - Visible: Es la parte del espectro que es captada por el ojo humano. - Infrarrojo reflectivo: Comprende de los 0.4 a los 3 micrómetros. Esta parte se divide en infrarrojo cercano (0.4-1.3 micrómetros) e infrarrojo medio (1.3 – 3 micrómetros). Sensores remotos: catálogo e importancia 18 2- Región emisiva: Esta región se caracteriza porque se capta la energía calorífica que emiten los cuerpos. Aquí se encuentra el infrarrojo lejano o termal que se encuentra en el intervalo de los 3 a los 14 micrómetros. 3- Por último se encuentra la región de microondas. En esta región a diferencia de todas las anteriores no se basan en sensores ópticos. Son las ondas con mayor longitud utilizadas en percepción remota, son usadas mediante radares, los cuales usan su propia energía y no la del sol como los demás sensores. Como conclusión se muestra que la principal fuente de energía usada en PR es la proveniente del sol, y también se utilizan fuentes artificiales como las microondas. Toda esta energía contiene características particulares tales como: longitud de onda y frecuencia, las cuales tienen una estrecha relación. El espectro electromagnético es un modelo que permite clasificar ésta energía mediante sus características físicas, el cual permite su mejor visualización. También se menciona que no toda la energía del espectro es útil en la percepción remota, solamente una porción. B) Interacción con el medio Anteriormente se describió el origen de la energía usada en la percepción remota para obtener información de la superficie terrestre. El segundo paso es la interacción con el medio, el cuál considerando los sensores ópticos que necesitan de la energía proveniente del sol, sin embargo, esta no llega de manera directa ya que tiene que atravesar los distintos gases y partículas que componen la atmósfera terrestre. En este paso por la atmósfera, la energía electromagnética puede ser dispersada o absorbida por la atmosfera. Dispersión La atmosfera contiene muchas partículas y gases que ocasionan un re direccionamiento del recorrido natural de la radiación electromagnética, todo esto dependiendo de la longitud de onda, el tamaño de las partículas atmosféricas y la distancia que tiene que recorrer la energía. La dispersión de manera general ocasionará que la propagación de la energía se vea afectada en términos de su dirección, su intensidad y su frecuencia. Existen 3 tipos de dispersión: Sensores remotos: catálogo e importancia 19 Figura 3. Tipos de dispersión electromagnética (fuente: http://homework.uoregon.edu/pub/class/atm/scatter.html). Dispersión de Rayleigh Este tipo de dispersión se produce cuando las partículas de la atmosfera son más pequeñas en diámetro que la longitud de onda de la radiación que interactúa con dichas partículas. Por lo tanto, existe una tendencia de dispersar las longitudes de onda corta que las longitudes de onda larga. Un ejemplo típico de esta dispersión es el cielo azul, en el cual las longitudes más cortas del espectro visible que corresponden al color azul son dispersadas y por consiguiente se perciben para nuestros ojos. En los atardeceres se puede ver un color un poco rojizo, debido a que los rayos del sol recorren una mayor distancia en la atmósfera a diferencia de medio día en donde las longitudes de onda se dispersan más y sólo se aprecian las más largas, correspondientes a colores anaranjados y rojos (Lillesand, 2004). Dispersión de Mie Este tipo de dispersión existe cuando en las partículas atmosféricas son del mismo tamaño que la radiación que se recibe. Las partículas responsables en mayor medida de esta dispersión son: el vapor de agua y el polvo. En esta dispersión a diferencia dela dispersión de rayleigh, afecta principalmente a las longitudes de onda largas, además de que sólo se da en condiciones atmosféricas especificas a diferencia de Rayleigh que se da en muchas condiciones atmosféricas. http://homework.uoregon.edu/pub/class/atm/scatter.html Sensores remotos: catálogo e importancia 20 Dispersión no selectiva Esta dispersión se presenta cuando el diámetro de las partículas de la atmósfera es mucho más grande que las longitudes de onda que se detecta. Las gotas de agua son unas de las causas que ocasionan esta dispersión. Esta dispersión es no selectiva con respecto a la longitud de onda. En las longitudes de onda correspondiente al espectro visible, se dispersan todos los colores en iguales cantidades, lo que ocasiona que la nieve y las nubes se aprecian blancas. Absorción A diferencia de la dispersión atmosférica, en la absorción se pierde la energía a raíz de la interacción con la atmosfera. Los elementos que absorben de manera más eficientes ésta energía son el vapor de agua, dióxido de carbono y el ozono. Estos gases absorben la energía electromagnética dependiendo de la longitud de onda que interactúe con estos gases, como se muestra a continuación: - Vapor de agua, este vapor absorbe alrededor de los 6 micrómetros, por encima de los 27 micrómetros y en menor grado entre 0.6 y 2 µm. - Dióxido de Carbono, absorbe en el infrarrojo térmico (<15 µm), así como el infrarrojo medio, entre 2.5 y 4.5 µm. - Ozono, este gas absorbe la radiación UV (<0.3 µm), así como las microondas en torno a los 27 mm). En el campo de la percepción remota los mecanismos de absorción tienden a tener menor importancia que los mecanismos de dispersión, debido a que en muchos análisis se utiliza la energía que no ha sido absorbida por la atmosfera, es decir, la energía que llega a la superficie terrestre e interactúa con los objetos. Sin embargo, en casos donde se requiera analizar la atmósfera terrestre se tienen que usar la energía absorbida por la atmósfera. Ventanas atmosféricas Figura 4. Regiones de ventanas atmosféricas, (fuente: https://earthobservatory.nasa.gov/Features/RemoteSensing/remote_04.php). Sensores remotos: catálogo e importancia 21 Para tener una mayor comprensión de los conceptos de absorción y dispersión, se introducirá el término de ventanas atmosféricas. Este término se refiere a la energía que pasa sin interactuar de manera significativa con los elementos de la atmosfera, en otras palabras, es la energía que no absorbe la atmósfera y la cuál presentará mecanismos de dispersión (Aguirre, 2006). Las ventanas atmosféricas se crean dependiendo de la longitud de onda que penetre la atmosfera. En la figura 4 se muestra el espectro electromagnético, donde en el eje de las x contiene la longitud de onda y el eje y el porcentaje de transmisión de esta energía en la atmósfera. Se aprecia que las mayores ventanas atmosféricas comienzan en las longitudes más grandes del ultravioleta hasta el espectro visible y decrece en algunas regiones del infrarrojo. La última gran ventana atmosférica son las de las microondas. c) Interacción con la superficie terrestre Figura 5: Comportamiento de la energía en la superficie, (fuente: http://rikiridwana.blogspot.mx/2014/12/proses-penginderaan-jauh-bagian-2.html). La energía electromagnética que no fue absorbida por la atmósfera y pasó por los procesos de dispersión, la energía resultante llega a la superficie terrestre, se le llamará flujo de energía incidente. Esta energía incidente al estar en contacto con la superficie terrestre tendrá 3 tipos diferentes de interacciones, las cuales son: Absorción, transmisión y reflexión (Lillesand, 2004). Estas interacciones pueden ser explicadas con el principio de conservación de la energía, es decir, se tomará el total de flujo de energía incidente en la superficie, el cuál corresponderá al 100% de la energía y aplicando este principio nos indica que toda ésta energía se seguirá conservando, de esta forma la ecuación quedaría conformada así. ∑Ei (λ) = Ea (λ) + Et (λ) + Er (λ) Ei=Energía incidente, Ea= Energía absorbida (Absortividad), Et= Energía transmitida (transmisividad), Er= Energía reflejada (Reflectividad). Sensores remotos: catálogo e importancia 22 - Absortividad: Es la relación entre la energía incidente y la energía que absorbe una superficie. - Reflectividad: Es la relación entre la energía incidente y la que refleja una superficie. - Transmisividad: Es la relación entre la energía incidente y la energía transmitida por la superficie. El total de energía incidente que llegue a la superficie terrestre se va a redistribuir en energía absorbida, transmitida y reflejada, así la energía incidente no se perderá, sino que se transformará. Esta redistribución de energía se efectúa en función de las características morfológicas y químicas de cada objeto. Por ejemplo, un lago va a absorber la mayor parte de la energía incidente, mientras que la energía transmitida y reflejada será menor. Otro ejemplo sería la nieve, la cual la mayor parte de su energía incidente será refleja, mientras que las demás porciones de energía tendrán menor cantidad. Reflectividad En la percepción remota la energía que el sensor va a captar es la energía reflejada por el objeto en una sola dirección, por consiguiente será la energía que tendrá mayor importancia en nuestros estudios. De esta forma es necesario precisar más elementos de análisis para comprender los mecanismos de esta energía. El primer punto a conocer es que la energía reflectiva será sólo una porción del total de la energía que llega a la superficie, esta porción se definirá con respecto a las características químicas y físicas de la superficie. Además, estará en función del tipo de longitud de onda ya que afectará de manera diferente a cada región del espectro electromagnético. Otro aspecto a entender es que la cantidad de energía reflejada que capte el sensor también dependerá de factores externos, los más importantes son: las condiciones atmosféricas y la geometría del área observada. La geometría tiene que ver con la forma de la superficie, la cual va a influir en el ángulo de incidencia y el ángulo de reflexión. Este comportamiento se divide en reflectividad especular y reflectividad difusa o lambertiana. La primera se da en superficies lisas, de ahí el nombre de especular refiriéndose a los espejos, se caracteriza porque el ángulo de la energía incidente es igual al ángulo de la energía que refleja. La reflectividad difusa se da en superficies rugosas y se caracteriza debido a que la energía incidente se refleja en varias direcciones. Es importante mencionar que casi todas las superficies no se encuentran en las 2 situaciones anteriores, sino que muestran características intermedias (Chuvieco, 2002). La cantidad de energía que reflejan los objetos y es captada por el sensor además de verse afectada por factores como sus condiciones específicas, también se verá afectada por factores externos como: ángulo de iluminación solar, modificaciones que el relieve tiene en dicho ángulo, así como la influencia atmosférica (Chuvieco, 1994). Debido a esto resulta muy complejo lograr una caracterización al 100% de Sensores remotos: catálogo e importancia 23 una cubierta terrestre mediante sensores remotos. Debido a esto sigue siendo imprescindible el trabajo de campo para corroborar los estudios realizados con percepción remota. Otro aspecto de importancia es el concepto de albedo o capacidad de reflexión, se define como la relación entre la radiación solar reflejada en todas direcciones (reflexión difusa) por parte de la superficie K↑ y la radiación solar incidente sobre ella K↓ (Chuvieco, 1996). ᵅ = K↑ / K↓ Firmas espectrales La energía emitida por la superficie depende de las características de cada elemento quelo conforma, esta energía se reflejará en mayor cantidad en ciertas partes del espectro electromagnético. Por ejemplo, podemos decir que nuestros ojos perciben la energía emitida de los objetos como lo hacen los sensores remotos, las hojas de las plantas se perciben de color verde, debido a que el color verde del espectro visible se refleja con mayor cantidad que los demás colores. Este comportamiento de la reflexión de la energía de los elementos se representa mediante las firmas espectrales, que son gráficas que expresan su respuesta espectral de su energía. En la figura 1.4 se muestran las firmas espectrales de distintos tipos de superficies en términos de su porcentaje de reflectancia y su longitud de onda en distintas regiones del espectro electromagnético. Figura 6 Firmas espectrales (Fuente: http://www.fao.org/docrep/003/t0446s/T044617.gif). http://www.fao.org/docrep/003/t0446s/T044617.gif Sensores remotos: catálogo e importancia 24 Se muestran 5 superficies distintas con su firma espectral teórica, la vegetación muestra mayor reflectancia de los .8 a los 1.2 micrómetros debido a la clorofila de las plantas, que corresponden al infrarrojo con porcentaje próximo a 50%.En el caso del agua, su reflectividad dependiendo de su turbidez tendrá máximo 20% en el color azul del espectro visible, esto indica que la mayor cantidad de energía incidente en el agua se absorberá. D) Sensores Remotos En la primer parte de este capítulo se describió los componentes de un sistema en percepción remota a partir de la fuente de energía y su interacción con el medio, para estos se utilizaron principios físicos. En esta parte nos centraremos en revisar el dispositivo encargado de captar toda esa energía, denominado sistemas sensor. Se define un sensor como dispositivos electrónicos que son sensibles a la radiación (Verbyla, 1995). Esta radiación que les llega de la Tierra/Atmósfera y la convierte en una magnitud física que pueda ser tratada y grabada. Clasificación de los sensores remotos Existen varias formas de clasificar los sensores remotos, entre ellas son: 1- A partir de la banda del espectro electromagnético que utiliza a. Sensores ultravioleta: Estos sensores trabajan en la última parte del espectro ultravioleta que va de los 0.400 a 0.280 mm b. Sensores del visible: Son de los más usados. Algunos sensores en esta banda se encuentran los sensores fotográficos, barredores ópticos mecánicos y los sistemas de televisión. c. Sensores del infrarrojo: Estos sensores se encuentran en el rango del infrarrojo, su utilización se limita a la existencia de ventanas óptico- mecánicas. d. Frecuencia extremadamente alta: Corresponde a una transición entre microondas y radiación infrarroja. Su utilidad se ve limitada por la absorción de vapor de agua y de oxígeno. e. Sensores de microondas: En estos sensores se han desarrollado: El radar como detector de objetos o formación de imágenes, los radiómetros que miden la cantidad de energía y el espectrómetro que mide la frecuencia espectral. f. Frecuencia ultra alta: Estos sensores captan de los 300 MHz y los 30 GHz. Son casi independientes de las condiciones atmosféricas, además de trabajar día y noche. Sensores remotos: catálogo e importancia 25 2- Una forma de clasificar los sensores remotos es a partir de su fuente de energía. a. Sensores activos: Hacen uso de sensores que detectan la respuesta reflejada de los objetos que son iluminados a partir de fuentes de energía generada de manera artificial, como el radar y los rayos x. b. Sensores pasivos: Hacen uso de sensores que detectan la radiación electromagnética reflejada o emitida a partir de fuentes naturales (el sol). 3- Otra forma de clasificarlos es mediante la ubicación espacial de la fuente emisora y receptora. a. Sensores mono-estáticos. Tienen la misma posición espacial cuando emiten y reciben energía. Algunos son el RADAR y LIDAR que posteriormente se presentarán. b. Sensores bi-estaticos: Tienen una posición para la emisión y otra diferente para recibir la energía. En estos tipos se encuentran las cámaras fotográficas y las multiespectrales. 4- A partir de la Información registrada a. Sensores fotográficos Se registra toda la información obtenida sobre una emulsión fotográfica. En este grupo se encuentran las cámaras espaciales y los multiespectrales. b. Sensores no fotográficos. Son aquellos que proyectan la información recibida sobre una pantalla, o la registran en forma gráfica (perfiles) o en forma digital 5 - Los mecanismos utilizados para captar información a. Sensores fotográficos: Captan la información en cintas magnéticas, multibandas, etc. b. Sensores electro-ópticos: Estos sensores se clasifican a su vez en función de los sistemas utilizados para captar información en 3 grandes categorías: - Formato o cuadro: Son aquellos que no necesitan movimientos de barrido para captar información. - Barredores estáticos: Estos sensores realizan movimiento de barrido en una sola dirección por medio de lecturas electrónicas. - Barredores mecánicos: Estos tienen una gran variedad de movimientos, de derecha a izquierda y los movimientos de la plataforma. c. Electro- ópticos no formadores de imagen: Estos no forman imagen sino que forman curvas o números que representan la energía de una superficie. Sensores remotos: catálogo e importancia 26 Características de los sensores: resolución de la imagen La resolución puede definirse como “la habilidad de un sistema de obtención de imágenes para registrar detalles de una manera distinguible. El conocimiento del concepto de resolución es esencial para entender detalles prácticos y conceptuales de la percepción remota. (López, 2010) Las distintas resoluciones nos permitirán conocer información de la superficie terrestre la cual tendrá importancia dependiendo del tipo de estudio que se requiera realizar. Conocer las resoluciones del sensor nos permitirá elegir alguno con base en nuestros objetivos. Entre los diferentes tipos de resoluciones de una imagen captada por el sensor, generalmente se encuentran 5 diferentes tipos: Resolución espectral Figura 7. Resolución espectral, comparación (fuente: https://twitter.com/ozdemir_hasan). Es la capacidad de un sensor en separar en distintas bandas del espectro electromagnético. Se refiere al número de bandas y a la anchura espectral de esas bandas que un sensor puede discriminar (Chuvieco, 2002). Por ejemplo: La banda 1 del TM recoge la energía entre 0.45 y 0.52 µm. Es una resolución espectral más fina que la de la banda pancromática del SPOT, que está entre 0.51 y 0.73 µm. En la figura siete se muestra una comparación entre las bandas espectrales de distintos sensores como LANDSAT Y SENTINEL, en la que se aprecia que SENTINEL tiene una mayor cantidad de bandas, es decir, la longitud de onda de https://twitter.com/ozdemir_hasan Sensores remotos: catálogo e importancia 27 cada una es menor y el resultado será una mayor resolución espectral ya que permite mayor separación de bandas. Los sensores se dividen en 2 grupos, multiespectrales e hiperespectrales. Las primeras segmentan la reflectancia en diferente número de bandas, las cuales pueden ir de los tres a las catorce bandas. Los hiperespectrales tienen la capacidad de segmentar en una mayor cantidad de bandas espectrales, esto implica que tendrá mayor cantidad de bandas estrechas que permitirán detectar con mayor facilidad las diferencias espectrales de los objetos. Resolución angular Se refiere a la capacidad de un sensor para observar la misma zona desde distintos ángulos (Diner et al, 1999, citado por Chuvieco 2002). De esta forma mejora la categorización de una superficie en particular ya que se observa desde distintos ángulos y los datos recogidos tenderána mayor confiabilidad. Resolución radiométrica Figura 8. Resolución radiométrica, (fuente: http://cmapspublic.ihmc.us/rid=1LHPQK9V5-235YMGQ- T0N/Resoluci%C3%B3n%20radiom%C3%A9trica.png). Las características radiométricas de una imagen describen su contenido de información. Cada vez que una imagen se registra en una cinta fotográfica o por un sensor, su resolución radiométrica se determina por la sensibilidad del sensor a la magnitud de la energía electromagnética registrada. La resolución en bits determina cuántos colores o niveles de gris puede representar cada píxel. http://cmapspublic.ihmc.us/rid=1LHPQK9V5-235YMGQ-T0N/Resoluci%C3%B3n%20radiom%C3%A9trica.png http://cmapspublic.ihmc.us/rid=1LHPQK9V5-235YMGQ-T0N/Resoluci%C3%B3n%20radiom%C3%A9trica.png Sensores remotos: catálogo e importancia 28 La resolución radiométrica se refiere al número de niveles digitales usados para expresar la información adquirida por el sensor en una escala de gris (brillo). Se expresa comúnmente como el número de bits (dígitos binarios) necesarios para almacenar el nivel máximo de información. Se refiere al rango dinámico, o número de posibles valores que puede tomar cada unidad de referencia. Por ejemplo, con 8 bits, el rango de valores va de 0 a 255. Resolución espacial Es una medida del objeto más pequeño que puede ser distinguido por el sensor, o el área en la superficie que registra cada pixel (tamaño del pixel). La resolución espacial tiene un papel protagonista en la interpretación de una imagen, debido a que muestra el nivel de detalle que ésta ofrece (Chuvieco, 1996). Figura 9. Resolución espacial, (fuente: http://geoservice.igac.gov.co/contenidos_telecentro/fundamentos_pr-semana2/index.php?id=2) Resolución temporal Se refiere a la cantidad de veces en un determinado tiempo que un sensor capta la energía de la misma porción de la superficie terrestre. Es decir, la periodicidad con la que se adquiere las imágenes del mismo lugar. Esto dependerá de las características de la plataforma que alberga el sensor y el diseño del sensor (Chuvieco, 1996). Un ejemplo de sensores de alta resolución temporal son los meteorológicos que necesitan pasar varias veces por el mismo lugar. http://geoservice.igac.gov.co/contenidos_telecentro/fundamentos_pr-semana2/index.php?id=2 Sensores remotos: catálogo e importancia 29 La resolución temporal se refiere a la frecuencia con la que se adquieren imágenes de una localidad dada. Relaciones entre los distintos tipos de resoluciones ¿Puede un sensor tener una alta resolución en todos los tipos de resoluciones? La respuesta es no, ya que generalmente las resoluciones están relacionadas, de manera que mientras aumenta una resolución, alguna otra disminuye. El aumento de las resoluciones implica un incremento en el volumen de datos a procesar por el sensor y la estación receptora (Chuvieco, 1996). Debido a la relación que tienen las resoluciones, los sensores remotos ofrecen características particulares en función de los fines para los que se diseñan. Por ejemplo, si se orienta en la exploración del tiempo atmosférico es necesario aumentar la resolución temporal a costa de que se vea afectada la espacial. En caso de que se oriente a exploración minera, será necesario mantener una alta resolución espectral dejando en segundo término la temporal. Otro ejemplo sería el catastro, el cual necesita una información detallada con respecto a su resolución espacial debido a la precisión alta de sus pixeles, dejando de lado las demás resoluciones. Es por eso que, a la hora de elegir algún sensor, primeramente, se tenga las prioridades a las que se quiere aplicar y con base en ello elegir el sensor que más convenga a nuestro propósito. E) Plataformas Una plataforma es un vehículo que se usa para que un sensor sea capaz de colectar y registrar la energía reflejada o emitida por una superficie, las plataformas que se usan en la percepción remota puede ser: A) Terrestres: Los sensores se ubican sobre el terreno en plataformas móviles (vehículos), edificios altos, etc. Los sensores montados en plataformas terrestres registrar información sobre la superficie. Los sensores se ubican en, escaleras, plataformas móviles (vehículos), edificios altos, en un tripie, etc. B) Plataforma aérea (o en algún otro tipo de plataforma dentro de la atmósfera terrestre): Las plataformas aéreas están principalmente montadas en aviones, aunque algunas veces se utilizan helicópteros. C) Sobre una nave espacial o satélite: Este tipo de plataformas se encuentran fuera de atmósfera terrestre circunnavegando sobre la Tierra en diferentes orbitas. Sensores remotos: catálogo e importancia 30 Órbitas Un satélite artificial, puede ser ubicado alrededor de la Tierra, en una infinidad de órbitas. Cada una de ellas presenta unas características particulares que conviene conjugar con los objetivos de la misión: altitud, condiciones de iluminación, zonas de cobertura, frecuencia de paso, etc. Elementos de una órbita Los parámetros que definen una órbita son: La altitud o radio (Apogeo y Perigeo) El ángulo del plano orbital con el ecuador terrestre (llamado también ángulo de elevación orbital) El periodo o duración de una órbita. Un satélite puede permanecer en la misma órbita durante un largo periodo de tiempo ya que la atracción gravitatoria de la Tierra contrarresta a la fuerza centrífuga. Como los satélites tienen su órbita fuera de la atmósfera, no les afecta la resistencia del aire, por lo que, de acuerdo con la ley de la inercia, la velocidad del satélite es constante. Aunque, igualmente se ven afectado por la actividad solar como los rayos cósmicos y el viento solar. De esta manera pueden girar alrededor de la Tierra durante muchos años. La atracción gravitatoria disminuye al alejarnos de la Tierra, mientras que la fuerza centrífuga aumenta al incrementarse la velocidad orbital. Por lo tanto, un satélite en una órbita baja, típicamente de unos 400 km de la Tierra se expone a una inmensa atracción gravitacional y debe moverse a una velocidad considerable para generar una fuerza centrífuga que la contrarreste. Existe una conexión directa entre la distancia a la Tierra y la velocidad orbital del satélite (NASA, 1994). La órbita asignada a un satélite, depende de su misión, velocidad y de la distancia a la Tierra. Existen cuatro tipos de órbitas principales: Órbita Baja Órbita Elíptica Órbita Geoestacionaria Órbita Polar Existen dos tipos fundamentales de órbitas para satélites de teledetección: las geosíncronas o geoestacionarias y las órbitas polares. Órbitas Geoestacionarias Una órbita geoestacionaria (GEO = geosincronizada) es aquella en la que el satélite siempre está en la misma posición con respecto a la Tierra (que rota). El satélite orbita a una altura de aproximadamente 35790 Km. porque esto hace que el periodo Sensores remotos: catálogo e importancia 31 orbital (la duración de una órbita) sea igual al periodo de rotación de la Tierra (23h 56m 4.09s). Al orbitar al mismo ritmo y en la misma dirección que la Tierra, el satélite esta estacionario (sincronizado con respecto a la rotación de la Tierra). Los satélites geoestacionarios proporcionan un panorama de observación muy amplio permitiendo estudiar eventos meteorológicos. Esto es especialmente útil para observar tormentas locales severas y ciclones tropicales. Debido a que la órbita geoestacionaria debe estar en el mismo plano que el de rotación de la Tierra, el plano ecuatorial, esto proporciona imágenes distorsionadas de las regiones polares con baja resolución espacial (NASA, 1994). Órbitas Polares Los satélites que vuelan en órbitas polares proporcionan una visión más global de la Tierra, girando con una inclinación (ángulo entre el plano ecuatorial y el plano de la órbita del satélite) cerca de lapolar (una verdadera órbita polar tendría una inclinación de 90 grados). Orbitando a una altura de 700 u 800 Km., estos satélites cubren de mejor forma las partes del mundo más difíciles de cubrir in situ (en el sitio). Por ejemplo, se puede ver McMurdo (base de E.U.A), en la Antártica, en 11 o 12 de los 14 pases diarios del satélite de órbita polar NOAA. Estos satélites operan en una órbita sincronizada con el sol. El satélite pasa cada día el ecuador y cada latitud a la misma hora solar local, lo cual quiere decir que el satélite pasa por encima de nuestras cabezas a la misma hora solar a lo largo de todas las estaciones del año. Esta característica permite la recogida regular de datos en horas consistentes así como comparaciones a largo plazo. El plano orbital de una órbita sincronizada con el sol debe también rotar aproximadamente un grado al día para mantenerse con respecto a la Tierra (NASA, 1994). F) Radar La palabra RADAR es un acrónimo de Radio Detection And Ranging, el radar se desarrolló como un medio de usar ondas de radio para detectar la presencia de objetos y para determinar su distancia y a veces su posición angular. Los radares son sensores activos, debido a que tienen su propia fuente de energía, que comúnmente se encuentra en el rango de las microondas. Los beneficios de este uso de energía es que a esa longitud de onda no se ve afectada por la dispersión atmosférica (Lillesand, 2004). Funcionamiento La energía de microondas se transmite desde una antena en ráfagas o pulsos muy cortos. En la figura 10, la propagación de un pulso se muestra indicando las ubicaciones de frente de onda en incrementos de tiempo sucesivos (A). Sensores remotos: catálogo e importancia 32 Comenzando con las líneas continuas, el pulso transmitido se mueve radialmente hacia fuera desde la aeronave en un haz restringido (o estrecho). Poco después del tiempo, el pulso llega a la casa, y una onda reflejada se muestra comenzando en ese tiempo (B). Posteriormente esta señal de retorno llega a la antena y se registra en ese momento En el tiempo siguiente, la onda transmitida se refleja del árbol, y este "eco" llega a la antena en el momento otro momento (C). Debido a que el árbol refleja menos las ondas de radar que la casa, se registra una respuesta más débil. Mediante la medición electrónica del tiempo de retorno de los ecos de señal, puede determinarse el intervalo o distancia entre el transmisor y los objetos reflectantes. Figura 10. Tiempos de propagación de pulsos energéticos (Fuente: http://www.nrcan.gc.ca/sites/www.nrcan.gc.ca/files/earthsciences/images/resource/tutor/fundam/im ages/radar.gif RADAR de apertura sintética (SAR) Es de los más utilizados en las misiones actuales, estos sistemas emplean una antena física corta, pero mediante técnicas modificadas de grabación y procesamiento de datos, sintetizan el efecto de una antena muy larga. Esto se logra al usar el movimiento del sensor a lo largo de una trayectoria para transformar una única antena físicamente corta en una matriz de tales antenas. Es decir, usando el recorrido del sensor sobre un punto, es posible observar el mismo punto desde distintos lugares con la misma antena, lo que puede simular una visualización con distintas antenas (Lillesand, 2004). Características de transmisión de las señales de radar Los dos factores principales que influyen en las características de transmisión de las señales de cualquier sistema de radar dado son la longitud de onda y la polarización del impulso de energía utilizado .En la Tabla 1, se enumeran las bandas de longitud de onda comunes utilizadas en la transmisión de impulsos. Los códigos de letras para las diversas bandas (por ejemplo, K, X, L) se seleccionaron originalmente arbitrariamente para garantizar la seguridad militar durante las primeras etapas del desarrollo del radar (Lillesand, 2004). http://www.nrcan.gc.ca/sites/www.nrcan.gc.ca/files/earthsciences/images/resource/tutor/fundam/images/radar.gif http://www.nrcan.gc.ca/sites/www.nrcan.gc.ca/files/earthsciences/images/resource/tutor/fundam/images/radar.gif Sensores remotos: catálogo e importancia 33 Longitudes de onda en radar Designación de banda Longitud de onda (cm) Frecuencia (MHz) K 0.75-1.1 40000-26500 K 1.1-1.67 26500-18000 K 1.67-2.4 18000-12500 X 2.4-3.75 12500-8000 C 3.75-7.5 8000-4000 S 7.5-15 4000-2000 L 15-30 2000-1000 P 30-100 1000-300 Tabla 1. Fuente: (Lillesand, 1994) Polarización Independientemente de la longitud de onda, las señales de radar pueden ser transmitidas y / o recibidas en diferentes modos de polarización. Es decir, con los sistemas de radar polarimétrico, la señal puede ser filtrada de tal manera que sus vibraciones de ondas eléctricas se restrinjan a un solo plano perpendicular a la dirección de propagación de la onda. (La energía no polarizada vibra en todas las direcciones perpendiculares a la propagación.) Una señal de radar puede transmitirse en un plano horizontal (H) o vertical (V), llamada convencional. Asimismo, puede recibirse en un plano horizontal o vertical, llamada dual. Así, tenemos la posibilidad de tratar con cuatro combinaciones diferentes de transmisión y recepción de señales: H enviada, H recibida (HH); H enviada, V recibida (HV); V enviada, H recibida (VH); Y V enviada, V recibida (VV) (Lillesand, 2004). Puesto que varios objetos modifican la polarización de la energía que reflejan en grados variables, el modo de polarización de la señal influye en cómo los objetos miran las imágenes resultantes. Figura 11: Tipos de polarización (Fuente: https://www.roc.noaa.gov/wsr88d/Images/dual_pol2.jpg) https://www.roc.noaa.gov/wsr88d/Images/dual_pol2.jpg Sensores remotos: catálogo e importancia 34 CAPÍTULO 2. CATÁLOGO DE SENSORES REMOTOS UTILIZADOS EN GEOGRAFÍA Imágen: NASA's sixteen Earth-observing satellites currently in orbit. Source: NASA, 2013 Sensores remotos: catálogo e importancia 35 En este capítulo se presentarán los diferentes sensores remotos usados en geografía, principalmente en meteorología y recursos naturales. Además, se mostrarán algunos elementos de cada sensor, tales como su órbita, la fecha de lanzamiento, país. Principalmente, se hará hincapié en sus tipos de resoluciones (radiométrica, temporal, espacial y espectral). Los sensores serán mostrados dependiendo de su resolución, primeramente se mostrarán los sensores pasivos, es decir, los que utilizan la energía electromagnética. Dentro de estos, primeramente se mostrarán los sensores especializados en recursos naturales, y como subclasificación se mostrarán en el siguiente orden: - Sensores multiespectrales, Poseen menos de catorce bandas; Sensores hiperespectrales, poseen más de 14 bandas; Sensores de alta resolución espacial, cuya resolución espacial es de escasos metros hasta centímetros. Posteriormente se mostrarán los sensores especializados en teledetección meteorológica. Por últimos, se mostrarán los sensores activos, es decir, los que tienen su propia energía electromagnética, específicamente radar. Además, se incluirá un programa que llamaré mixto, el cual contiene tanto sensores activos, como pasivos. Un aspecto importante a resaltar, al término de cada tipo de sensor se mostrará un enlace de internet en el cuál se direcciona a la página que permite la descarga de imágenes, en el caso de que se encuentren gratuitas. De lo contrario, se mostrarán solamente enlaces para poder visualizar las imágenes, en el caso de los satélites meteorológicos. En otros casos, al no ser imágenes gratuitas, se mostrarán enlaces a páginas que permitan la cotización de las imágenes de interés. Un aspecto importante de mencionar, es que los títulos mostrados a continuación son llamados programas, es decir, que en algunos no tienen el nombre del sensor. Los nombres indican la misión o el satélite,en la que el sensor propiamente dicho se encuentra. Se menciona esto debido a que en muchos artículos de internet muestran como sinónimos estos conceptos, por eso opté por nombrar como misión a varias misiones. Sensores remotos: catálogo e importancia 36 2.1 MISIONES PARA RECURSOS NATURALES 2.1.1 PROGRAMA LANDSAT (Sensores multiespectrales) LANDSAT Figura 1. Imagen LANDSAT 8 de la Bahía de Manila, 13 de mayo de 2013 (Fuente: https://agstlab.files.wordpress.com/2013/06/lc81160502013115lgn01.jpg). Figura 2. Satélite LANDSAT 8 (Fuente: http://landsat.usgs.gov//images/LDCM.jpg). https://agstlab.files.wordpress.com/2013/06/lc81160502013115lgn01.jpg http://landsat.usgs.gov/images/LDCM.jpg Sensores remotos: catálogo e importancia 37 Introducción A mediados de la década de 1960, la NASA y el Departamento de Agricultura de los E.U.A emprendieron un ambicioso esfuerzo para desarrollar y lanzar el primer satélite civil de observación de la Tierra, estimulado por los éxitos de los Estados Unidos en la exploración planetaria mediante satélites de tele observación no tripulados. Su objetivo se alcanzó el 23 de julio de 1972 con el lanzamiento del satélite de tecnología de recursos terrestres (ERTS-1), que más tarde se denominó Landsat 1. Los lanzamientos de Landsat 2, Landsat 3 y Landsat 4 siguieron en 1975, 1978, y 1982, respectivamente (USGS, 2016). Cuando Landsat 5 se lanzó en 1984, nadie podría haber predicho que el satélite seguiría entregando datos globales de alta calidad de las superficies terrestres durante 28 años y 10 meses, estableciendo oficialmente un nuevo récord mundial Guinness para el satélite de observación de la Tierra. Por otra parte, Landsat 6 no logró orbitar en 1993. Landsat 7 se lanzó con éxito en 1999 y, junto con Landsat 8, que se lanzó en 2013, continúa proporcionando datos globales diarios. Se planea provisionalmente lanzar Landsat 9 en 2020. Figura 3. Misiones LANDSAT (Fuente: http://landsat.usgs.gov//about_mission_history.php) LANDSAT 1 Lanzamiento: Fue lanzado por la NASA y el servicio geológico de los Estados Unidos (USGS) el 23 de Julio de 1972 en la base de la fuerza aérea Vandenberg en California y cuya misión terminó el 6 de Enero de 1978. Órbita: Heliosincrónica, orbita cercana polar a una altitud de 917 km Sensibilidad radiométrica: 6 bits por pixel http://landsat.usgs.gov/about_mission_history.php Sensores remotos: catálogo e importancia 38 Tamaño de la escena: 170 km x 185 km Resoluciones Sensor Resolución espectral Resolución espacial (m) Bandas espectrales Resolución temporal RVB 475 - 575 nm 80 B1: Visible azul-verde 18 días 580 - 680 nm B2: Visible naranja-rojo 690 - 830 nm B3: Visible rojo-infrarrojo Escáner multiespectral (MS) 0.5 - 0.6 µm B4: Visible- verde 0.6 - 0.7 µm B5: Visible-rojo 0.7 - 0.8 µm B6: Infrarrojo cercano 0.8 - 1.1 µm B7: Infrarrojo cercano Tabla 1. Resoluciones LANDSAT 1 (Fuente: http://landsat.usgs.gov). LANDSAT 2 Lanzamiento: El 22 de enero de 1975. Se retiró de las operaciones el 25 de febrero de 1982; Puesto en modo de espera 31 de marzo de 1983. Órbita: Heliosincrónica, orbita cercana polar a una altitud de 917 km. Sensibilidad radiométrica: 6 bits por pixel Tamaño de la escena: 170 km x 185 km Resoluciones Sensor Resolución espectral Resolución espacial (m) Bandas espectrales Resolución temporal RVB 475 – 575 nm 80 B1: Visible azul-verde 18 días 580 – 680 nm B2: Visible naranja-rojo 690 – 830 nm B3: Visible rojo-infrarrojo Escáner multiespectral (MS) 0.5 – 0.6 µm B4: Visible- verde 0.6 – 0.7 µm B5: Visible-rojo 0.7 – 0.8 µm B6: Infrarrojo cercano 0.8 – 1.1 µm B7: Infrarrojo cercano Tabla 2. Resoluciones LANDSAT 2 (Fuente: http://landsat.usgs.gov ). http://landsat.usgs.gov/ http://landsat.usgs.gov/ Sensores remotos: catálogo e importancia 39 LANDSAT 3 Lanzamiento: El 5 de Marzo de 1978. Se retiró el 7 de septiembre de 1983 Órbita: Heliosincrónica, orbita cercana polar a una altitud de 917 km. Sensibilidad radiométrica: 6 bits por pixel Tamaño de la escena: 170 km x 185 km Resoluciones Sensor Resolución espectral Resolución espacial (m) Bandas espectrales Resolución temporal RVB 40 B1: Pancromático 18 días 580 - 680 nm B2: Visible 690 - 830 nm B3: Visible Escáner multiespectral (MS) 0.5 - 0.6 µm B4: Visible 0.6 - 0.7 µm B5: Visible 0.7 - 0.8 µm B6: Infrarrojo cercano 0.8 - 1.1 µm B7: Infrarrojo cercano 10.4 - 12.6 µm B8: Termal Tabla 3. Resoluciones LANDSAT 3 (Fuente: http://landsat.usgs.gov). LANDSAT 4 Lanzamiento: 16 de Julio de 1982 dando por terminada la misión el 14 de diciembre de 1993. Orbita: Circular, Heliosincrónica, orbita cercana polar a una altitud de 705 km. Sensibilidad radiométrica: 8 bits por pixel Tamaño de la escena: 170 km x 185 km Resoluciones Sensor Resolución espectral Resolución espacial (m) Bandas espectrales Resolución temporal Escáner multiespectral (MSS) 475 - 575 nm 80 B1: Visible azul-verde 580 - 680 nm B2: Visible naranja-rojo 690 - 830 nm B3: Visible rojo-infrarrojo 0.5 - 0.6 µm B4: Visible http://landsat.usgs.gov/ Sensores remotos: catálogo e importancia 40 0.6 - 0.7 µm B5: Visible 16 días 0.7 - 0.8 µm B6: Infrarrojo cercano 0.8 - 1.1 µm B7: Infrarrojo cercano Mapas temáticos (TM) 0.45 - 0.52 µm 30 B1: Visible 0.52 - 0.60 µm B2: Visible 0.63 - 0.69 µm B3: Visible 0.76 - 0.90 µm B4: Infrarrojo Cercano 1.55 - 1.75 µm B5: Infrarrojo Cercano 10.40 - 12.50 µm 120 B6: Termal 2.08 - 2.35 µm 30 B7: Infrarrojo medio Tabla 4. Resoluciones LANDSAT 4 (Fuente: http://landsat.usgs.gov). LANDSAT 5 Lanzamiento: Primero de marzo de 1984 y su término de operaciones fue en enero de 2013. Se lanzó en la base de la fuerza aérea de Vandenberg, California. Sensibilidad radiométrica: 8 bits por pixel Orbita: Circular, Heliosincrónica, orbita cercana polar a una altitud de 705 km. Tamaño de la escena: 170 km x 185 km Resoluciones Sensor Resolución espectral Resolución espacial (m) Bandas espectrales Resolución temporal Escáner multiespectral (MSS) 475 - 575 nm 80 B1: Visible azul-verde 16 días 580 - 680 nm B2: Visible naranja-rojo 690 - 830 nm B3: Visible rojo-infrarrojo 0.5 - 0.6 µm B4: Visible verde 0.6 - 0.7 µm B5: Visible rojo 0.7 - 0.8 µm B6: Infrarrojo cercano 0.8 - 1.1 µm B7: Infrarrojo cercano Mapas temáticos (TM) 0.45 - 0.52 µm 30 B1: Visible 0.52 - 0.60 µm B2: Visible 0.63 - 0.69 µm B3: Visible 0.76 - 0.90 µm B4: Infrarrojo Cercano http://landsat.usgs.gov/ Sensores remotos: catálogo e importancia 41 1.55 - 1.75 µm B5: Infrarrojo Cercano 10.40 - 12.50 µm 120 B6: Termal 2.08 - 2.35 µm 30 B7: Infrarrojo medio Tabla 5. Resoluciones LANDSAT 5 (Fuente: http://landsat.usgs.gov). LANDSAT 6 Lanzamiento: Se lanzó el 5 de octubre de 1993, sin embargo, no se logró poner en órbita, por lo que fue una misión fallida. Órbita: Se planeó que tuviera una órbita Heliosincrónica Tamaño de la escena: 170 km x 185 km Sensor: Se empleó un sensor de mapas temáticos mejorado (ETM), con una banda pancromática adicional. LANDSAT 7 Lanzamiento: La misión se puso en órbita el 15 de abril de 1999 y sigue vigente hasta la fecha. Órbita: Heliosincrónica a una altitud de 705 km Sensibilidad radiométrica: 8 bits por pixel Tamaño de la escena: 170 km x 185 km Resoluciones Sensor Resolución espectral Resolución espacial (m) Bandas espectrales Resolución temporal Mapa temático mejorado plus (ETM +) 0.45 - 0.52 µm 30 Band 1
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