SENSORES REMOTOS 

Introducción

La necesidad urgente que tiene el ser humano de evaluar los problemas ambientales que son sin duda de características globales, hace imprescindible el empleo de medios de estudio eficientes desde el punto de vista técnico y económico. La utilización de dispositivos de monitoreo ambiental de gran cobertura areal nos remite inmediatamente, en la gran mayoría de los casos, a las plataformas orbitales o geoestacionarias

Numerosas ramas científicas están directamente interesadas en las posibilidades de estos sistemas, ya que prever los cambios ambientales es prioritario para el desarrollo de la humanidad. La evaluación por medio de aviones especialmente diseñados para esta función, muchas veces es impracticable desde el punto de vista de los costos de explotación y de las dificultades presentadas en la compilación y ordenación del material de estudio.

Si estamos tratando de observar sobre la superficie de la Tierra algún tipo de fenómeno de gran desarrollo areal o algún fenómeno dinámico, el procedimiento fotogramétrico puede resultar probablemente antieconómico.

Definiciones

Sensores Remotos es la ciencia y arte de obtener información acerca de un objeto, área, o fenómeno utilizando sistemas de registro que no están en contacto con el objeto, área, o fenómeno bajo investigación. Cuando se lee estas palabras se esta empleando un sensor remoto. Los ojos están actuando como sensores respondiendo a la luz reflejada desde estas páginas, de esta manera se reconocen las palabras.

Usando varios sensores podemos recolectar una cantidad de datos que pueden ser analizados para tener información acerca de los objetos, áreas, o fenómenos bajo investigación.

Normalmente el termino sensores remotos se utiliza para designar el estudio que se realiza con sensores de energía electromagnética que corrientemente operan desde aeronaves y plataformas espaciales y que están realizando permanentemente inventarios, mapeando y monitoreando los  recurso de la Tierra. Aquí debemos observar que la aero-fotogrametría también debe ser incluida en la definición puesto que es un sistema de registro de energía electromagnética. Lo que ocurre es que el termino sensores remotos se ha generalizado para aquellos sistemas que registran energía en un amplio rango de longitudes de onda.

Aplicaciones de los sensores remotos

• Estudio del medio ambiente general

• Análisis de impacto ambiental: consecuencias de las obras de arquitectura hechas por el hombre, emplazamiento de industrias contaminantes.

• Geología: estudio de depósitos minerales y petrolíferos, dinámica de la estructura terrestre y actividad volcánica.

• Hidrológica: estudio de la contaminación de las aguas y material de arrastre, análisis de los cursos de agua y peligros de inundaciones, localización de fuentes de agua potable, detección y seguimiento de hielos y témpanos, cartografía térmica del mar

• Estudio y cartografía de la vegetación: producción y distribución de las especies agrícolas y forestales, estudio del suelo fértil, detección de plagas e insectos que afectan la producción agrícola, análisis de zonas con sequías.

• Cartografía de áreas afectadas por incendios forestales

• Geografía y Cartografía de base: actualización de catastro rural y urbano a escalas posibles, utilización de las tierras, distribución de la población y sus cambios

• Aplicaciones militares: detección de la capacidad militar de las naciones incluido el espacio exterior, reconocimiento fotográfico y electrónico, detección de ICBM, guerra electrónica.

• Estudios estratégicos desde el punto de vista geopolítico: toma de decisiones en base a información y datos como entidades georeferenciadas.

• Construcción de modelos digitales del terreno en áreas inaccesibles: los DEM como ayuda a la navegación aérea, elección de rutas y caminos en zonas de difícil acceso o selváticas.

Proceso

Los dos principales procesos son la adquisición de datos y el análisis de los mismos.

La energía proviene de una fuente que es el sol, se propaga a través de la atmósfera, incide en la superficie de la Tierra, se produce una retransmisión de la energía a través de la atmósfera y los sensores en las aeronaves y espacionaves la detectan. Esto da como resultando la generación por parte del sensor de datos en forma de fotografías y o digitales. Luego se realiza el análisis de los datos, una vez chequeados la fidelidad de los datos se comienza a extraer información la que luego puede ser enviada a capas de información (layers) en un Sistema de Información Geográfica (GIS).

Interacción de la Energía con la Superficie de la Tierra

Cuando la energía electromagnética incide en un determinado lugar de la superficie de la Tierra se producen una serie de interacciones, fundamentales. Por ejemplo, la proporción de energía reflejada, transmitida, y absorbida varia con las diferentes características de los materiales que componen la superficie de la Tierra. Estas diferencias permiten distinguir diferentes aspectos sobre una imagen. Además, la longitud de onda interviene en el balance de la reflexión de energía. Esta variación es lo que da origen al color, por ejemplo, si decimos que un objeto es azul, es por que refleja mucho las longitudes de onda correspondientes a esa parte del espectro.

De esta manera muchos  sensores remotos operan en varias longitudes de onda (bandas) donde predomina la energía reflejada.

Por otro lado consideremos como ejemplo la Banda termal, tenemos que a lo largo del día la superficie terrestre recibe el calor de los rayos solares, calor que se va disipando a lo largo de la noche. Tomando imágenes a la puesta del sol, obtenemos mucha información de los objetos en función de su capacidad de disipar temperatura esto tiene mucha aplicación en el campo militar, geológico, etc.

Adquisición de Datos

La detección de la energía electromagnética puede realizarse a través de una fotografía o electrónicamente. El proceso de la fotografía usa una reacción química sobre la superficie sensible a la luz de una película que detecta las variaciones de energía de una determinada escena. Los sensores electrónicos generan una señal eléctrica en correspondencia con las variaciones de energía de la escena original (por ejemplo una vídeo cámara).

Las ventajas sobre la fotografía de estos detectores es su mayor rango de captación dentro del espectro electromagnético y la posibilidad de transmitir electrónicamente los datos. Las señales electrónicas son almacenadas y posteriormente son convertidas en imágenes de TV, en imágenes sobre una pantalla de computadora, o transformadas en una fotografía. En este caso la fotografía es usada solamente como un medio de grabación.

Las características básicas de una imagen digital se pueden resumir en una construcción conformada bidimensionalmente por filas y columnas de elementos llamados píxel. La intensidad de cada píxel corresponde al promedio del brillo o radiación, medida electrónicamente encima del área de la superficie de la Tierra correspondiente al píxel. A su vez cada píxel de la imagen tiene una representación numérica digital correspondiente a la radiación medida, DN (Digital Number). Este proceso es una simple transformación analógica digital lo que permite manejar en forma más eficiente toda la información obtenida de la energía electromagnética detectada.

Como ejemplo se puede considerar la asignación de valores digitales para distintas intensidades de entrada en un rango de 0 a 255 DN (8 bits) correspondiente a 256 de la escala de grises.

Sistemas MSS y Termal

Un sistema electrónico de detección como el Multispectral Scanners (MSS) permite detectar energía en un rango muy amplio que va desde 0.3 hasta aproximadamente 14 mm de l. Esto incluye parte de la energía UV, espectro visible, e IR cercano medio y termal.

El esquema de detección se aprecia en al figura. En el podemos distinguir que el sistema "observa" la superficie de la Tierra bajo un ángulo de visualización b determinado por el tamaño del sistema óptico del detector. Es muy común la utilización del termino IFOV (instantaneous field of view), para expresar el ángulo bajo el cual se detecta la energía electromagnética. De esta manera se "barre" la superficie de la Tierra con un movimiento giratorio del espejo. El detector termal es más o menos similar.

La energía electromagnética proveniente de la superficie de la tierra es enfocada por el espejo barredor hacia un sistema óptico que amplifica y concentra la energía para dirigirla luego hacia los detectores, estos registran las diferentes longitudes de onda con su correspondiente ancho de banda. Mediante un proceso electrónico se almacena digitalmente las diferentes bandas detectadas para luego ser retransmitidas a las estaciones receptoras localizadas en diferentes puntos de la superficie de la Tierra.  

MSS

Sistema MSS - Across-track

Sistema MSS - Along-track

División de los Sensores Remotos  

Si el sensor detecta la energía reflejada o emitida por los objetos, los cuales a su vez fueron iluminados por la fuente natural de energía que es el sol, llamamos al sensor pasivo.

Si el sensor tiene que "iluminar" los objetos mediante la emisión de una propia energía entonces el sensor se denomina activo.

Plataformas Orbitales

Para ser colocado en orbita de la Tierra un satélite necesita de una velocidad determinada con el objeto de contrarrestar la fuerza de gravedad del planeta. Por debajo de esta velocidad la fuerza gravitacional no podrá ser equilibrada y la trayectoria se convertirá en una parábola descendente, destruyéndose la carga útil en las capas densas de la atmósfera superior (60 a 80 Km. de altitud) por efecto de la fricción. En caso contrario cuando la velocidad lograda en el momento de la separación de la ultima etapa del cohete portador de la carga útil, supere el punto de satelización, esto dará lugar al escape del satélite al espacio cislunar o interplanetario.

Entre ambas situaciones existen toda una serie de valores que darán como resultado que el satélite sea ubicado en una órbita que definiremos como baja, entre los 160 y 1000 Km. de la superficie terrestre (en realidad la satelización prácticamente no es posible a menos de 175 Km. de altitud), órbita mediana entre los 1500 y 10000 Km. u órbita elevada cuando sea superior a los 35000 Km. y hasta los 100000 Km.

La vida útil de un satélite esta en función de varios factores, los primordiales son el mantenimiento de las fuentes de energía que alimenta los instrumentos sea esta química o solar y la altitud de la órbita en la que se halla insertado. Para el caso del agotamiento (o mal funcionamiento) de la fuente de energía el satélite perderá su capacidad operativa y continuara en órbita como basura espacial hasta su futura destrucción. Para el segundo caso, de acuerdo a las posibles órbitas, el satélite puede tardar en precipitarse a la atmósfera superior desde unas pocas horas (cuando su punto de mayor acercamiento esta en el orden de 120 a 150 Km. de la Tierra), hasta miles de años cuando se lo sitúe en órbitas cuyas alturas estén comprendidas entre los 35000 y 100000 Km. de la superficie de la tierra.

Normalmente el tipo de órbita elegida para los satélites de observación de la Tierra es la circular (elíptica de pequeña excentricidad) donde el apogeo y el perigeo se mantienen casi en los mismos valores por lo tanto la posibilidad de comenzar a experimentar el roce con los átomos o partículas de las capas superiores de la atmósfera es muy baja.

El satélite siguiendo la trayectoria de su órbita va cubriendo la superficie de la Tierra y a medida que lo hace, va captando mediante el sensor (o diferentes sistemas de registro), la energía proveniente de esta, luego esa energía se convierte en imágenes que son grabadas a bordo del satélite y posteriormente a través de sus sistemas de transmisión de datos se envían a las estaciones terrenas. Estas estaciones se encuentran distribuidas por todo el mundo y cubren un área de unos 2000 Km. de radio, cumplen la función de recibir la información transmitida por el satélite y enlazar con los usuarios, además de actuar como archivos de datos manteniendo un catalogo. Para el caso las estaciones principales ubicadas en los países constructores del satélite, disponen de imágenes de cualquier parte de la Tierra.

Sensores Pasivos

Corresponden a la mayoría de los sensores  remotos puestos en órbita: SPOT, Landsat, IKONOS, IRS, SAC-C, Tiros (1960, meteorológico), Mariner IV (1965), Nimbus-7, etc.

Satélites de la Serie LANDSAT

El Departamento de Interior de USA comienza a concebir la idea de un satélite civil para indagar los recursos de la Tierra a mediados del año 1960. A la National Aeronautics and Space Administration (NASA), se le encarga la tarea de construir y lanzar el primer satélite de monitoreo de la Tierra. La U.S. Geological Survey (USGS), se integró con la NASA a comienzos de los 70 para asumir la responsabilidad de archivar los datos y distribuir datos y productos.

Forman dos series de distintas características:

Serie 1: Formados por los Landsat 1, 2, y 3. Fueron enviados por la NASA entre los años 1972 y 1982 con el fin de estudiar la Tierra desde el espacio. Fueron colocados en órbita baja, (900 Km.), con una cobertura total de la Tierra en 18 días. El período de órbita es de 103 minutos.

Llevan dos tipos de sensores el MSS y cámaras RBV (cámaras de vídeo).

Para el caso del MSS se cubren las siguientes bandas:

Banda 4 -- 0.5 a 0.6 mm (verde visible)                                                                                 

Banda 5 -- 0.6 a 0.7 mm (rojo visible)                                                                                  

Banda 6 -- 0.7 a 0.8 mm (IR próximo)                                                                                 

Banda 7 -- 0.8 a 1.1 mm (IR próximo)

La resolución espacial es de 80m (79 m x 79 m) , y la cobertura de cada escena es de 185 x 185 Km.

En el caso de las RBV, se trata de dos cámaras pancromáticas con una resolución espacial de 40m y una cobertura en el terreno de cada cámara de 99 x 99 Km.

Landsat 1-2-3 Funcionamiento del MSS

Serie 2: Landsat 4 y 5, enviados al espacio entre 1982 y 1984.

La órbita es de 705 Km. con una cobertura de la Tierra en 16 días. El tipo de órbita es circular, subpolar, (inclinación 98.2°), y heliosincrónica. Periodo de órbita 98.9 minutos. Cumple 233 ciclos de órbita (paths 001 a 233 de este a oeste), con una faja de superposición que varía desde el 7% en el Ecuador hasta cerca del 84% a 81° de latitud norte o sur.

En esta serie se sacan las RBV y se agrega al MSS el TM, (Thematic Mapper).

El TM cubre las siguientes bandas:   Banda 1 -- 0.45 a 0.52 mm 

                                                                Banda 2 -- 0.52 a 0.60 mm

                                                                Banda 3 -- 0.63 a 0.69 mm

                                                                Banda 4 -- 0.76 a 0.90 mm

                                                                Banda 5 -- 1.55 a 1.75 mm

                                                                Banda 6 -- 10.4 a 12.5 mm IR termico

                                                                Banda 7 -- 2.08 a 2.35 mm

La resolución espacial es de unos 30m salvo para la banda 6 que es de unos 120m.

La cobertura de cada escena es de 185 x 185 Km.

Información del estado de los satélites Landsat:

Landsat 7: Puesto en orbita en el año 1999. Cuenta con el ETM+ que además de las 7 bandas incorpora un escáner pancromático de 15 metros de resolución en la l de 0.52 a 0.9 mm. El canal termal IR ahora con 60 metros de resolución espacial. La órbita es de 705 Km. con una cobertura de la Tierra de 16 días, inclinación 98.2°, periodo de órbita 98.9 minutos. La cobertura de cada escena también es de 185 x 185 Km. La resolución radiométrica es de 8 bits para cada banda

Características del ETM+ 

Satélite SPOT

El programa de observación de la Tierra mediante los satélites SPOT ha sido desarrollado por Francia con la participación de Suecia y Bélgica. El primer satélite SPOT 1 se lanzo en 1986.

SPOT 1 - 3

Órbita de 830 Km., circular, subpolar, y heliosincrónica. Da una vuelta a la Tierra en 101 minutos, y vuelve a pasar por la vertical de un mismo punto de la Tierra cada 26 días.

Los satélites SPOT 1 - 3 están dotados de dos instrumentos de toma de vistas HRV 1 y HRV 2, (high resolution visible), capaces de funcionar en forma independiente. Cada instrumento de SPOT barre una banda cuya dimensión en sentido Este - Oeste es de 60 Km. en mira vertical y que puede alcanzar los 80 Km. en mira oblicua. A lo largo de la traza del satélite se dividen las escenas cada 60 Km., de esta manera una escena SPOT puede cubrir una superficie de 60 x 60 Km. o de 60 x 80 Km. El sistema sensor es un array lineal que utiliza una técnica de scanning pushbroom trabajando con un sistema óptico orientable, esta característica permite detección a ambos lados fuera del nadir. El sistema óptico principal de los HRV es un espejo plano que puede rotar a través de un ángulo de ± 27°, así cada instrumento HRV podrá registrar energía electromagnética en una franja extendida de 475 Km a cada lado de la trayectoria del satélite. Cuando los dos instrumentos trabajan simultaneamente en mira vertical (punto de vista nadiral), la superficie abarcada es de 117 Km ya que hay una superposición de las imágenes de aproximadamente 3 Km en la track.

Modo pancromático "P": La observación se realiza en una banda espectral única correspondiente a la parte visible del espectro sin el azul. La longitud de onda queda comprendida entre 0.51 y 0.73 mm, las imágenes que proporciona son en blanco y negro con una resolución en el terreno de 10m.

Modo multibanda "XS": La observación se realiza en tres bandas espectrales. Banda "XS 1", de 0.50 a 0.59 mm (verde), banda "XS 2", de 0.61 a 0.68 mm (rojo), banda "XS 3", de 0.79 a 0.89 mm (IR cercano). La combinación de los tres canales posibilita la obtención de composiciones coloreadas. La resolución en el terreno es de 20m. La capacidad de mira oblicua del SPOT permite realizar pares estereoscópicos.

Existen cuatro niveles de procesamiento de los datos obtenidos por el satélite. En cada uno de ellos se van haciendo progresivamente correcciones radiométricas y geométricas etc.

Las escalas de los productos obtenidos van desde 1/400000 hasta 1/50000 (incluso 1/25000)

SPOT 4

Monoespectral: Resolución 10m,  longitud de onda 0.61 - 0.68 µm, imágenes blanco/negro. Incorpora una banda comprendida entre 1.58 a 1.75 mm. Se mantiene el modo multibanda con igual resolución en el terreno.

SPOT 5

Pancromático: Resolución 5m o 2.5m, longitud de onda 0.48 - 0.71 µm, imágenes blanco/negro. Se mantiene la banda comprendida entre 1.58 a 1.75 mm. Para el modo multibanda se conserva las mismas longitudes de onda pero ahora con una resolución en el terreno de 10m.

Satélite IKONOS

Satélite comercial construido por Lockheed Martin Missiles and Space Imaging. Tiene una órbita polar sincrónica al sol, con un tamaño de la escena de 11 Km. por 11 Km., cumple una órbita alrededor de la tierra cada 98 minutos aproximadamente a una altitud de 680 Km., pasando por sobre una dada longitud a la misma hora local 10:30 AM., su mira lateral permite intervalos de revisita cada tres días. La cámara digital fue diseñada y construida por Kodak y posibilita la adquisición de datos pancromáticos con una resolución de 1 metro y datos  multiespectrales con una resolución de 4 metros. La resolución radiométrica es de 11 bits (2048 niveles de gris)

Resolución espectral

Banda 1:  0.45 – 0.52 µm

Banda 2:  0.52 – 0.60 µm

Banda 3:  0.63 – 0.69 mm

Banda 4:  0.76 – 0.85 µm

Pancromática:  0.45 – 0.90 µm

Satélite QuickBird

QuickBird es un satélite de alta resolución de la empresa DigitalGlobe y fue puesto en órbita en el año 2001. Utiliza un sensor de aproximadamente 0.61m de resolución en el terreno según especificaciones del fabricante.

Sensores Activos

El sistema de detección radar aéro transportado fue desarrollado con fines de reconocimiento militar a comienzos del año 1950 con una estricta aplicación en el campo de estrategia militar, posteriormente fue desclasificado para uso civil con aplicación a los recursos naturales. Básicamente este sistema envía oblicuamente sobre la superficie de la Tierra un haz de microondas (rango desde 1mm hasta 1m de l). Una vez reflejada por el terreno las modificaciones sufridas por la onda son detectadas por una antena y transformadas en señales eléctricas que luego son grabadas. Las plataformas para estos sensores pueden ser aviones o satélites. Diferentes objetos reflejan de distinta manera las ondas, cuanto mayor sea la energía reflejada por un objeto hacia el detector mas clara será la imagen. Generalmente este tipo de sensores se denominan Radar SLAR, SIR (Shuttle Imaging Radar) o SAR (Radar de Apertura Sintética). Su aplicación principal es en las zonas donde hay una gran cubierta vegetal, o zonas de nieblas o brumas. Como la señal del radar se transmite inclinada, fuera del nadir del satélite, la superficie de la tierra se ilumina en un ángulo oblicuo. Esta vista refuerza las variaciones sutiles de desniveles y texturas de la superficie lo que mejora en muchos casos la capacidad de interpretación de las imágenes dado que se acercan mas al modo acostumbrado de observación del ser humano. Los primeros sistemas radar producían imágenes de la superficie del terreno a escala de grises pero los nuevos sistemas posibilitan asignar colores a las imágenes en función de las longitudes de onda de los pulsos y generar lo que se conoce como Interferometría Radar.

La resolución de estos sistemas es función de dos parámetros: la longitud del pulso de microondas y la apertura de la antena emisora. Para aumentar la resolución hay que aumentar el tamaño de la antena pues esta es función de la longitud de onda pero esto es un problema cuando se trata de vehículos de transporte espaciales constituyendo una gran complicación técnica. Este inconveniente se soluciona empleando una corta antena y luego mediante un método muy complejo, “simulando” una mayor apertura física de la antena con una técnica de apertura sintética radar. Lógicamente la señal radar es afectada por la dispersión atmosférica en función de la longitud de onda, a medida que la longitud de onda es menor los efectos se traducen como una atenuación de la señal.

SR = C x T / 2   ; T = tiempo entre pulso transmitido y eco recepción 

El SAR (Synthetic Aperture Radar) es un sistema de radar de haz coherente que genera imágenes de alta resolución, simulando una antena virtual larga. Consiste en un arreglo de sucesivas y coherentes señales de radar que son transmitidas y recibidas por una pequeña antena que se mueve a lo largo de un determinado recorrido de una órbita o de una línea de vuelo.

Los puntos en los cuales los sucesivos pulsos son transmitidos constituyen los arreglos sintéticos usados para componer y generar una imagen SAR. La técnica consiste en enviar pulsos de señal a los mismos puntos de la superficie terrestre en dos o más momentos distintos de la trayectoria del radar, la resolución que se obtiene es equivalente a la que se obtendría si se utilizara una antena de similar longitud que la distancia entre los pulsos.

Algunas longitudes de onda más comunes en las Bandas radar:

- Banda X:  l = 2.4 – 3.75 cm.

- Banda C:  l = 3.75 – 7.5 cm.

- Banda L:  l = 15 – 30 cm.

- Banda P:  l = 30 – 100 cm.

Geometría del Radar

Para los sistemas radar en general, incluido el SAR, es posible realizar una polarización de las ondas en función de la antena, de esta manera el eje de la orientación del campo eléctrico con respecto a la antena define la polarización de las ondas, las cuales pueden ser de polarización horizontal (H) o vertical (V). Cuando el campo eléctrico tiene la misma orientación que el eje mayor de la antena, la polarización es horizontal, cuando el campo eléctrico es perpendicular a la dirección del eje de la antena, la polarización es vertical.

Las antenas radar con una apertura determinada, generan un ángulo sólido de energía electromagnética concentrada que se envía sobre la superficie de la tierra la cual se encuentra a una distancia R, esta energía se desplaza en forma de ondas cuya fase se representa como frentes esféricos. Solo las ondas reflejadas por los objetos que se dirigen hacia la antena con la polarización correspondiente, constituyen la señal recibida.

Ecuación Radar:

Pr = Pt G² l² s /  4 p³ R⁴

Pr : potencia retrodispersada

Pt : potencia emitida por el radar

G : ganancia de la antena

l : longitud de onda

R : distancia entre el sensor y el terreno

s : sección eficaz de retrodispersión.

b = ángulo en el alcance cercano

a = ángulo de incidencia