Tema 05

Asignatura: Cartografía urbanística y catastral Tema 5: Conceptos de teledetección Ángel Manuel Felicísimo Pérez Área de Ingeniería Cartográfica, Geodesia y Fotogrametría Departamento de Expresión Gráfica Curso 2006-2007

1 Conceptos de teledetección El término teledetección es sinónimo de percepción remota (en su original inglés, remote sensing). El vocablo fue acuñado en los años 60 para designar a cualquier observación de la superficie terrestre en la que no existe contacto físico directo con el objeto a observar. Inicialmente se aplicó a la fotografía aérea por ser la técnica más común en aquel momento. La teledetección suele relacionarse con la captura de imágenes aunque se refiere, en general, en la captura de datos. Lo más habitual, sin embargo, es que los métodos de captura estén diseñados para cubrir el territorio ordenada y completamente, conformando una imagen del mismo en sentido amplio. La teledetección permite, en consecuencia, ver a través de medios técnicos —cámaras de diversos tipos, espectrómetros, radares—. Definiremos la teledetección como el conjunto de técnicas de captura e interpretación de imágenes a partir de sensores transportados por aviones o satélites, sensibles a diferentes rangos del espectro electromagnético. En la fotografía aérea convencional, por ejemplo, el sensor es una cámara fotográfica y la imagen se registra en una película fotosensible en el rango de longitudes de onda de la luz visible. Cuando los sensores son transportados por satélites se habla expresamente de teledetección espacial, cuya única diferencia es, en realidad, el tipo de plataforma de transporte y la altitud de la trayectoria de vuelo. En todo sistema de teledetección se entiende que entre el sensor y la superficie a observar existe una interacción energética. El sensor capta y almacena una reacción de la superficie terrestre ante la incidencia de radiación electromagnética, bien sea de origen natural —la luz solar—, o artificial, emitido por el propio sensor —radar—. Por tanto un sistema de teledetección presenta los siguientes componentes: •

fuente de energía: origen de la radiación electromagnética que detecta el sensor. Si la fuente de energía es externa, el sensor se denomina pasivo y si la energía es emitida por el propio sensor se denomina activo.

•

sistema sensor: formado por el sensor en sentido estricto y por un conjunto de aparatos auxiliares que permiten grabar la señal detectada por el sensor y enviarla al sistema de recepción terrestre.

•

sistema de recepción: estación situada en tierra donde se reciben los datos captados por el sensor.

•

sistema de interpretación: conjunto de herramientas que tratan la información recibida transformándola en información de utilidad.

En los comienzos de la teledetección se acudió a métodos diversos para la toma de imágenes. Los globos aerostáticos se usaron con fines militares en la década de 1840. Las palomas fueron utilizadas durante la Primera Guerra Mundial para hacer fotografías sin tener que usar aviones o globos, mucho más arriesgado.

1

1.1

Ventajas e inconvenientes de la teledetección espacial

Si la comparamos con otros medios utilizados para obtener información sobre la vegetación, como la fotografía aérea o el trabajo de campo, la teledetección espacial presenta una serie de ventajas e inconvenientes. Las primeras han supuesto un uso creciente de la misma en numerosas aplicaciones. Los inconvenientes han hecho comprender que la teledetección espacial es un complemento de los métodos convencionales y no siempre una alternativa.

Ventajas de la teledetección espacial Entre las ventajas de los métodos basados en sensores transportados por satélite están:


amplia cobertura de la superficie terrestre: los satélites permiten obtener imágenes de la mayor parte de la Tierra, incluso de áreas inaccesibles como las polares. Ello permite minimizar riesgos naturales, la evaluación prácticamente inmediata de catástrofes medioambientales o el análisis de procesos lejanos.




amplia cobertura espacial: la situación de los instrumentos de observación, a gran altura y en órbita alrededor de la Tierra, permite obtener datos de forma simultánea de una gran superficie lo que permite obtener una visión más extensa de los fenómenos geográficos. Una fotografía aérea a escala 1:18.000 recoge una superficie aproximada de 16 km2 mientras que una imagen Landsat recoge en una sola adquisición 34000 km2 y una del NOAA abarca unos 9 millones de km2.




amplia cobertura temporal: la observación de la superficie terrestre es periódica ya que la toma de imágenes de una misma zona se produce en periodos que van desde unas pocas horas hasta un par de semanas. Esta característica permite la cartografía, seguimiento y análisis de procesos dinámicos.




obtención de datos objetivos: los datos se toman con sensores calibrados de características conocidas lo que permite la creación y el acceso a colecciones de datos comparables entre sí en el tiempo y en el espacio.




sensibles a regiones no visibles del espectro: los sensores suelen ser sensibles a regiones espectrales situadas en el infrarrojo y algunos trabajan en el rango de las microondas. Esto permite superar las limitaciones de la visión humana aportando datos sobre otras zonas del espectro electromagnético.




proporciona información digital, es decir, codificada numéricamente, lo que permite el tratamiento numérico de los datos y la utilización de herramientas estadísticas que facilitan la obtención de resultados.

Limitaciones de la teledetección espacial Pese al grado de desarrollo tecnológico y la difusión y generalización en el empleo de estas técnicas, existe un conjunto de inconvenientes que, aunque probablemente encontrarán solución en un futuro inmediato, limitan la utilidad de estas técnicas en algunos campos. Entre ellas están:


escasa resolución espacial: en la actualidad la máxima resolución disponible es de 1 metro, aunque son más frecuentes los 10-30 m. Otros sensores sólo permiten resoluciones de 5001000 m o incluso menores.




dependencia de la meteorología: la mayoría de los sensores son muy sensibles a las condiciones meteorológicas, en especial a la presencia de nubes.

1.2

Los fundamentos físicos de la teledetección

Para que la observación remota sea posible es necesario que entre el sensor y los objetos exista algún tipo de interacción a través de un flujo energético. Por lo tanto los tres elementos fundamentales de un sistema de teledetección son los objetos, el sensor y el flujo energético que los pone en relación.

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El espectro electromagnético Existen tres formas de formas de obtener información a partir de un sensor remoto:


por reflexión: la energía del Sol incide sobre la superficie terrestre y ésta la refleja de formas diversas según sus características físicas; el sensor capta la energía reflejada.




por emisión: el sensor capta la energía emitida por la propia superficie.




por emisión-reflexión: el sensor emite una señal hacia la superficie y posteriormente recoge la reflexión de la misma..

En todos los casos, el flujo energético es radiación electromagnética que puede variar en su longitud de onda λ, inversa de la frecuencia, F, en función de su localización en el espectro electromagnético, EEM. El EEM incluye la radiación electromagnética entre los rayos gamma (λ<0.00005 µm) hasta las ondas de radio usadas en telecomunicaciones (hasta centenares de m). El EEM, aunque continuo, suele segmentarse en bandas, entendiendo como tales a zonas incluidas en un rango de longitud de onda. Así, se entienden como rayos gamma al rango de longitudes de onda menores de 5·10-5 µm; el ultravioleta es la radiación electromagnética de longitud de onda comprendida entre 0.01 y 0.4 µm mientras que el infrarrojo se extendería entre los 0.7 y los 500 µm. La zona del espectro visible es muy estrecha, entre 0.4 y 0.7 µm —del violeta al rojo—. El Sol, que se encuentra a unos 6000 K de temperatura y, de acuerdo con la Ley de Wien, le corresponde un máximo de emisión en torno a los 0,48 µm —color verde—. El 49% de la radiación solar se emite a esta longitud de onda. De forma más general, el 99% de la radiación solar se emite en longitudes de onda inferiores a los 5 µm (infrarrojo medio), con un 42% en el IR y un 9% por debajo del UV. En general, puede considerarse que la banda de máxima emitancia se extiende entre los 0,3 y 2 µm, rango denominado dominio óptico del espectro. Sin embargo, existen diferencias entre la emisión del Sol y lo que se recibe sobre la superficie de la Tierra. La causa es la absorción de ciertas longitudes de onda por parte de los componentes atmosféricos (gases, polvo…). Por ejemplo, el vapor de agua presenta varias bandas de absorción entre las cuales la situada en los 6 µm (IR medio) puede ser del 100%. El CO2 por su parte presenta una banda de absorción en el IR térmico (15 µm), primer responsable del efecto invernadero al retener la emisión calorífica de la Tierra. Como consecuencia de estas bandas de absorción, existen zonas espectrales en las que la atmósfera es opaca, actuando como un filtro que invalida las bandas para el uso de la teledetección. El resto de zonas, transparentes o con poca absorción, se denominan ventanas atmosféricas y definen las bandas potencialmente útiles para teledetección. La zona del visible, por ejemplo, es prácticamente transparente pero en el IR hay zonas de absorción y las ventanas son de rango más estrecho. ventana

rango espectral (µ µm)

1

0.3 - 1.3

2

1.5 - 1.8

3

2.0 - 2.6

4

3.0 - 3.6

5

4.2 - 5.0

6

7.0 - 15.0

Las bandas más habituales en teledetección se han definido en función de las ventanas atmosféricas y de su interés a la hora de obtener información sobre la cubierta terrestre:


espectro visible (0,4 a 0,7 µm), con tres bandas elementales en razón de los colores básicos que percibe el ojo humano:


azul: 0,4 a 0,5 µm




verde: 0,5 a 0,6 µm




rojo: 0,6 a 0,7 µm

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infrarrojo próximo (0,7 a 1,3 µm)




infrarrojo medio (1,3 a 8 µm)




infrarrojo térmico o lejano (8 a 14 µm)

La signatura espectral Las superficies o cubiertas reflejan de forma diferente la radiación electromagnética en función de su longitud de onda. En el caso del espectro visible este diferente comportamiento espectral se manifiesta con lo que conocemos como color: un objeto que percibimos como azul refleja la energía de la banda azul o, lo que es lo mismo, absorbe y transmite poca energía de esa parte del espectro. Cada superficie puede ser caracterizada por su respuesta espectral a las distintas longitudes de onda definiendo así sus propiedades y sus diferencias con otras superficies. Se denomina signatura espectral de una cubierta o superficie a la respuesta espectral — reflexión o emisión de energía— en determinadas longitudes de onda. Por ejemplo:


la nieve presenta un alto grado de reflectividad general en todo el espectro visible.




el agua líquida, al contrario, absorbe la mayor parte de la energía que recibe, especialmente cuanto mayor es la longitud de onda.




la vegetación presenta bajos valores de reflectividad en el espectro visible y más elevados en el infrarrojo cercano.

Sin embargo también influyen factores externos independientes de la respuesta espectral propia de cada superficie; por ejemplo:


el ángulo de iluminación solar, que depende de la fecha y de la hora.




el relieve, en el sentido de que las diferentes combinaciones de orientación y pendiente hacen variar la exposición de la ladera al vector solar.




las condiciones atmosféricas y, en especial, la absorción por las nubes y la dispersión en determinadas longitudes de onda por el polvo y la neblina.

En definitiva, aunque es posible definir un comportamiento espectral tipo para cada superficie, éste se ve modificado por factores externos que deben tenerse en cuenta en el tratamiento de la información.

Figura 3. Curva espectral característica de la vegetación verde.

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Las propiedades ópticas de la vegetación son muy similares cualquiera que sea la especie. La vegetación fotosintéticamente activa presenta un espectro muy característico donde se diferencian tres dominios ópticos (ver figura anterior). En la zona visible (0.4-0.7 µm), la absorción de la luz por los pigmentos fotosintéticos genera una baja reflectancia (normalmente inferior al 15%). Hay dos bandas de absorción principales: en el azul (0.45 µm) y en el rojo (0.67 µm), características de las frecuencias de absorción de las clorofilas a y b, cuyo conjunto supone un 65% del total de pigmentos de las hojas en plantas superiores. Estas fuertes bandas de absorción inducen un pico de reflectancia en el amarillo-verde (0.55 µm) lo que confiere el color característico verde a la vegetación activa. Otros pigmentos menos abundantes tienen también cierta influencia en la respuesta espectral: por ejemplo, los carotenos (rojo-anaranjados) presentan una fuerte absorción en el rango 0.35-0.50 µm. En el dominio del IR cercano (0.7-1.3 µm), las propiedades ópticas se explican por la estructura de la hoja. Los pigmentos de la hoja y la celulosa son transparentes en estas longitudes de onda y, en consecuencia, la absorción es muy baja (un máximo del 10%) y la reflectancia alta (hasta un 50%). En esta zona se presenta un meseta característica cuyo valor medio depende de la estructura interna de la hoja y en concreto del tejido llamado mesófilo, cuyos espacios y transiciones aire/agua generan diferentes índices de refracción. La reflectancia de la hoja aumenta con la heterogeneidad de formas celulares y con el incremento de espacios y capas intercelulares. El IR cercano tiene dos regiones espectrales principales: (1) entre 0.7 y 1.1 µm, donde la reflectancia es alta salvo en dos pequeñas bandas de absorción (0.96 y 1.10 µm) y (2) entre 1.1 y 1.3 µm, que corresponde a la transición entre el IR cercano y las bandas de absorción del IR medio (1.3 a 2.5 µm), caracterizado por la absorción debida al agua contenida en la hoja. Debido a la fuerte absorción en los 1.45, 1.95 y 2.50 µm, estas bandas no pueden usarse para medidas de reflectancia. En el resto de bandas del IR medio, la reflectancia aumenta con el descenso del contenido en agua.

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2 Anexo de imágenes En estas imágenes, la vegetación forestal madura se representa en verde oscuro, el bosque joven en verde claro y las zonas taladas en rosa. La diferencia entre ambas fechas puede verse por comparación de las imágenes o bien usando bandas de ambas imágenes para componer una imagen de síntesis (en la imagen siguiente)

En esta composición se ha usado una banda del año 1984 y dos de 1991 para hacer más patentes las diferencias entre ambas fechas. La componente verde destaca el bosque, las zonas rosas son las deforestadas ya en la primera fecha y las zonas azules representan el avance de la deforestación entre 1984 y 1991.

El IR próximo permite distinguir los árboles enfermos de los sanos; su menor reflectancia se debe al decaimiento de la actividad fotosintética.

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Índices de vegetación a lo largo de un periodo anual (elaborados a partir de datos del sensor AVHRR del satélite NOAA). Los índices siguen una escala común por lo que es posible comparar diferentes imágenes entre sí.

Marzo 1997

Abril 1997

Mayo 1997

Junio 1997

7

Julio 1997

Agosto 1997

Septiembre 1997

Febrero 1998

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Una imagen convencional de la zona presenta una información absolutamente diferente.

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