Teledetección: Nociones y Aplicaciones (2006) PDF

 Teledetección: Nociones y Aplicaciones ___________________________________ Teledetección: Nociones y Aplicaciones ISBN-10: 84-611-1613-5 ISBN-13: 978-84-611-1613-3 Julio, 2006 Editores: Carlos Pérez Gutiérrez Ángel L. Muñoz Nieto ____________________...

 Teledetección: Nociones y Aplicaciones ___________________________________ Teledetección: Nociones y Aplicaciones ISBN-10: 84-611-1613-5 ISBN-13: 978-84-611-1613-3 Julio, 2006 Editores: Carlos Pérez Gutiérrez Ángel L. Muñoz Nieto ___________________________________  Prólogo Tras la celebración de las ediciones anteriores del Curso Extraordinario "Teledetección Aplicada", y la organización del nuevo curso “Aplicaciones Geomáticas en Teledetección”, se ha creído oportuno organizar toda la documentación aportada por los participantes, dándole un formato común. El esfuerzo efectuado por todos ha permitido la realización de esta nueva edición, que esperamos sea de utilidad no sólo a los alumnos participantes en el curso, sino a todos aquellos que sientan interés y motivación por los temas abordados. A lo largo de estas páginas se recopila una información muy variada. Se inicia con unas nociones básicas sobre los fundamentos y la caracterización de la teledetección a nivel teórico. Le sigue un capítulo centrado en la explicación de los fundamentos físicos. A continuación, se efectúa un repaso de los recursos existentes en la Red, de cara a facilitar el acceso a nueva información. Se proponen diferentes metodologías para la interpretación de las imágenes, acorde a diferentes aplicaciones. Así, se analizan las imágenes a nivel visual con fines de fotoidentificación ejemplificándose posteriormente sobre el proyecto CORINE Land Cover. Se describen las aplicaciones de la Teledetección en Geología e Investigación Minera. A modo de contrapunto con lo anterior, se expone la técnica del Geo- Radar, una técnica en la vanguardia de la percepción remota, que hace uso de los sensores activos para el estudio subsuperficial de la corteza terrestre. Los siguientes capítulos se dedican a la estimación de variables medioambientales mediante satélites meteorológicos, y a la evaluación de parámetros hidrológicos en cauces fluviales mediante técnicas de teledetección. A continuación, se analiza el uso de la teledetección en el seguimiento y control de superficies cultivadas. Posiblemente, uno de los campos con más interés, por su fácil aplicabilidad. Del mismo modo, se hace una revisión exhaustiva que subraya la importancia del factor vegetación en Teledetección. I  Se analiza la cartografía de imagen como una ventajosa alternativa de la teledetección a la forma tradicional de representación de la Tierra. Y seguidamente, se establecen las ventajas y problemas asociados a la integración de formatos SIG- Teledetección. Otro capítulo se centra en la descripción de las posibilidades y ventajas de la exploración de la Tierra en el dominio de las microondas. Finalmente, a modo de conclusión, se comentan los diferentes softwares especializados en teledetección que existen en el mercado, diferenciado los enfoques académicos y profesionales de estas aplicaciones. Pedimos disculpas por la escasa calidad de algunas figuras expuestas a nivel didáctico, y aconsejamos complementar la presente obra con las presentaciones en color realizadas por los conferenciantes, e incluidas en el CD-ROM del curso. Los organizadores del curso y editores de esta pubicación agradecemos todas las muestras de apoyo y dedicación aportadas por colaboradores y alumnos, y deseamos que esta documentación sea una útil herramienta de consulta.  Indice INTRODUCCIÓN A LA TELEDETECCIÓN ESPACIAL................................................................... 1 1.- Definición y devenir histórico......................................................................................................................1 2.- Componentes de un sistema de Teledetección..............................................................................................2 3.- Superficies reflectantes................................................................................................................................3 4.- Principios físicos........................................................................................................................................3 5.- Signaturas espectrales..................................................................................................................................5 6.- La formación de la imagen multiespectral.....................................................................................................6 7.- Resoluciones de un sensor..........................................................................................................................7 7.1.- Resolución espacial...................................................................................................................... 7 7.2.- Resolución radiométrica............................................................................................................... 8 7.3.- Resolución espectral..................................................................................................................... 8 7.4.- Resolución temporal.................................................................................................................... 9 7.4.- Resolución angular....................................................................................................................... 9 8.- Realces y mejoras visuales de la imagen........................................................................................................9 9.- El tratamiento previo o restauración de las imágenes...................................................................................10 10.- El análisis de las imágenes.......................................................................................................................11 11.- Técnicas de análisis hiperespectral............................................................................................................11 12.- Principales aplicaciones de la Teledetección...............................................................................................12 13.- Principales programas de observación remota de la Tierra..........................................................................12 14.- Bibliografía............................................................................................................................................16 FUNDAMENTOS FÍSICOS DE LA TELEDETECCIÓN ESPACIAL................................................. 17 1.- Introducción............................................................................................................................................17 III  2.- Procesos de calibración de la imagen......................................................................................................... 17 3.- La radiación electromagnética................................................................................................................... 19 3.1.- La emisión de radiación electromagnética.....................................................................................19 3.2.- La propagación de la radiación electromagnética...........................................................................24 3.3.- La detección de la radiación electromagnética................................................................................29 4.- Bibliografía............................................................................................................................................. 36 RECURSOS DE TELEDETECCIÓN EN LA RED......................................................................... 37 1.- Introducción........................................................................................................................................... 37 2.- La irrupción de las grandes empresas ‘puntocom’........................................................................................... 38 2.1.- El caso de Google Earth.............................................................................................................38 ¿Cómo trabaja Google Earth?.....................................................................................................41 2.2.- La competencia de las otras ‘puntocom’.......................................................................................44 3.- Infraestructuras de datos espaciales en España............................................................................................ 45 4.- Tipos de recursos.................................................................................................................................... 48 5.- Recursos en castellano............................................................................................................................. 50 6.- Resto del mundo..................................................................................................................................... 51 6.1.- Trabajar en teledetección.............................................................................................................52 6.2.- Educación en Teledetección........................................................................................................52 6.3.- Tutoriales en Teledetección.........................................................................................................53 6.4.- Datos en teledetección................................................................................................................55 6.5.- Softwares de Teledetección.........................................................................................................58 6.6.- Listas y foros de distribución.......................................................................................................58 6.7.- Catálogos de imágenes................................................................................................................58 7. Miscelánea............................................................................................................................................... 60 7. Revistas................................................................................................................................................... 61 Conclusiones............................................................................................................................................... 62 6 Referencias............................................................................................................................................... 62 ANÁLISIS VISUAL DE IMÁGENES EN TELEDETECCIÓN........................................................... 65 1. Objetivos................................................................................................................................................. 65  2.- Introducción............................................................................................................................................65 3.- Criterios visuales para identificación...........................................................................................................66 3.1. Tono.........................................................................................................................................67 3.1.- Color........................................................................................................................................67 3.2. Textura......................................................................................................................................70 3.3 Forma.........................................................................................................................................70 3.4 Tamaño......................................................................................................................................71 3.5 Patrón.........................................................................................................................................71 3.6. Sombras.....................................................................................................................................73 3.7 Localización................................................................................................................................73 3.8 Visión estereoscópica...................................................................................................................73 3.9 Aspectos temporales....................................................................................................................74 4.- Estrategias y fases en el proceso de la interpretación visual...........................................................................75 4.1 Detección, reconocimiento e identificación.....................................................................................75 4.2 Análisis.......................................................................................................................................75 4.3 Clasificación................................................................................................................................75 4.4 Deducción...................................................................................................................................76 5.- Reglas para el análisis visual de imágenes (fotointerpretación)........................................................................76 6.- Bibliografía..............................................................................................................................................76 APLICACIONES DE TELEDETECCIÓN EN GEOLOGÍA............................................................. 79 1.- Introducción............................................................................................................................................79 2.- Interacciones de la energía electromagnética con la materia..........................................................................80 3.- Comportamiento espectral de los materiales de la superficie terrestre............................................................82 3.1.- Identificación de minerales, litologías y suelos...............................................................................84 4.- Aplicaciones en el estudio del Medio Físico................................................................................................85 4.1.- Aplicación en la exploración de recursos minerales. Cartografía de alteración hidrotermal en rocas: el distrito minero de Cuprite (Nevada, EE.UU.)......................................................................................86 4.2.- Aplicación en Geomorfología: estudio de la respuesta espectral en la cuenca de Huércal-Overa (Cordillera Bética)..............................................................................................................................90 4.3.- Aplicación en Riesgos Naturales..................................................................................................95 V  5.- Conclusiones.......................................................................................................................................... 96 6.- Bibliografía............................................................................................................................................. 97 EL PROGRAMA CORINE. PROYECTO DEL MAPA “LAND COVER”................................... 99 1.- Introducción........................................................................................................................................... 99 2.- Organización del trabajo........................................................................................................................ 100 2.1.- Estudio de factibilidad..............................................................................................................100 2.2.- Generación de ortoimágenes espaciales......................................................................................104 3.- Aplicación de la metodología a las islas Canarias....................................................................................... 106 3.1.- Adquisición de la información...................................................................................................106 3.2. - Tratamiento digital..................................................................................................................106 3.3. Fotointerpretación.....................................................................................................................107 3.3.1. Singularidad Geográfica de las islas:...................................................................................107 3.3. 2.- Nomenclatura de las Islas:.............................................................................................108 3.3.4.- Problemas planteados en la Fotointerpretación:................................................................110 3.4.- Conclusiones de fotointerpretación............................................................................................112 3.5.- Creación de la base de datos......................................................................................................113 3.5.1 Introducción...................................................................................................................113 3.5.2.-Diseño de la base de datos...............................................................................................113 3.5.3.-Entrada de los datos espaciales:........................................................................................114 3.5.4.-Digitalizacón:..................................................................................................................117 4.- El programa Corine (Land-Cover) en la U.E............................................................................................ 118 5.- Bibliografía........................................................................................................................................... 119 APLICACIONES DE LA TELEDETECCIÓN EN LA INVESTIGACIÓN GEOLÓGICA Y MINERA...... 121 1.- Introducción......................................................................................................................................... 121 2.- Propiedades espectrales de los materiales de las superficies naturales........................................................... 121 3.- Estudios aplicados................................................................................................................................. 125 3.1.- Geología Estructural.................................................................................................................125 3.2.- Cartografía Litológica e Investigación Minera..............................................................................127 3.3.- Fenómenos Dinámicos.............................................................................................................130  4.- Limitaciones y perspectivas.....................................................................................................................131 5. Bibliografía básica seleccionada.................................................................................................................132 ESTIMACIÓN DE VARIABLES MEDIOAMBIENTALES A PARTIR DE IMÁGENES NOAA........... 133 1.- El National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA)................................................................133 2. El Sistema GOES....................................................................................................................................135 3.- El Sistema POES...................................................................................................................................136 4. El Sensor AVHRR..................................................................................................................................137 5.- Obtención de Temperaturas....................................................................................................................138 5.1.- Concepto de radiancia..............................................................................................................138 5.2.- Proceso de cálculo de temperaturas............................................................................................139 6.- Obtención de Reflectancias.....................................................................................................................140 7.- Inercia Térmica......................................................................................................................................142 8.- Índices de Vegetación.............................................................................................................................143 9.- Bibliografía............................................................................................................................................145 INTRODUCCIÓN AL GEO-RADAR Y SUS APLICACIONES......................................................... 147 1.- Introducción..........................................................................................................................................147 2.- Principio de funcionamiento...................................................................................................................147 3.- Resolución y capacidad de penetración.....................................................................................................151 3.1.- Tratamiento de datos................................................................................................................152 4.- Equipos utilizados..................................................................................................................................154 5.- Aplicaciones y ejemplos..........................................................................................................................157 6.- Radar de sondeos...................................................................................................................................159 7.- Bibliografía............................................................................................................................................160 EVALUACIÓN DE PARÁMETROS HIDROLÓGICOS EN CAUCES FLUVIALES MEDIANTE TÉCNICAS DE TELEDETECCIÓN...................................................................................................................161 Resumen....................................................................................................................................................161 1.- Introducción..........................................................................................................................................162 2.- Territorio e hidrologia.............................................................................................................................163 3.- Teledeteccion en Hidrologia. Información climática...................................................................................164 VII  4.- Teledeteccion en Hidrologia. Gestion y planificacion de recursos hídricos................................................... 171 5.- Teledetección en Hidrología. Riesgos naturales......................................................................................... 173 CONTROL DE SUPERFICIES CULTIVADAS MEDIANTE TELEDETECCIÓN...............................177 1. Antecedentes: Control de Subvenciones de la PAC. Legislación y ámbito.................................................... 177 2. Objetivos............................................................................................................................................... 178 3. Fuentes de información........................................................................................................................... 179 4. Metodología........................................................................................................................................... 180 4.1 Tratamiento previo de la información..........................................................................................180 Escena 202/032 de Mayo 2002.................................................................................................180 QuickBird...............................................................................................................................183 Mapas digitales: 1:10000, Parcelario y BCN 25............................................................................184 4.2. Obtención de datos de campo....................................................................................................184 4.3. Tratamiento digital.....................................................................................................................185 Clasificación supervisada de las imágenes...................................................................................185 Texturas en la ortofoto.............................................................................................................187 4.5. Cruce de información: verificación de las declaraciones.................................................................188 5. Conclusiones.......................................................................................................................................... 189 6. Bibliografía............................................................................................................................................ 190 EL FACTOR VEGETACIÓN EN TELEDETECCIÓN ESPACIAL. APLICACIONES, ESTRATEGIAS Y DISCUSIÓN............................................................................................................................. 191 1. Introducción.......................................................................................................................................... 191 2. Aplicaciones y ejemplos de la estimación indirecta de la vegetación mediante teledetección............................ 193 3. Revisión de aplicaciones con sensores espaciales........................................................................................ 194 3.1. Sensores radar...........................................................................................................................195 3.2. Sensores ópticos........................................................................................................................195 3.3. Hiperespectrales........................................................................................................................196 4. Estrategia de estimación indirecta de variables biofísicas de vegetación en las imágenes remotas..................... 197 4.1. Métodos empíricos....................................................................................................................198 4.1.1. Análisis multiespectral: combinación de bandas..................................................................198  4.1.2. Otros métodos empíricos................................................................................................199 4.2. Aplicación de modelos...............................................................................................................199 4.2.1. Reflectancia y BRDF.......................................................................................................199 4.2.2. Modelos de cobertura y modelos de hoja..........................................................................200 4.2.3. Inversión de modelos......................................................................................................201 4.3. Redes neuronales......................................................................................................................202 5. Discusión de los métodos........................................................................................................................202 6. Futuras líneas de desarrollo......................................................................................................................204 7. Bibliografía.............................................................................................................................................205 LA TELEDETECCIÓN Y EL PROTOCOLO DE KYOTO.............................................................. 213 1.- Introducción..........................................................................................................................................213 2.- El Protocolo de Kyoto...........................................................................................................................213 3.- Papel de la teledetección en el Protocolo de kyoto.....................................................................................215 3.1.- Experiencias a escala global.......................................................................................................216 3.2.- Experiencias en España............................................................................................................216 4.- Conclusiones.........................................................................................................................................218 5.- Agradecimientos....................................................................................................................................218 6.- Bibliografía............................................................................................................................................218 TELEDETECCIÓN RADAR................................................................................................... 221 1.- Introducción..........................................................................................................................................221 1.1.- Antecedentes...........................................................................................................................222 2.- Fundamentos radar................................................................................................................................224 3.- Sistemas radar........................................................................................................................................228 3.1.- Satélites Europeos: ERS-1, ERS-2, ENVISAT, TerraSAR-X y COSMO SkyMed..........................231 3.2.- Satélites canadienses RADARSAT-1 y 2.....................................................................................238 3.3.- Satélites japoneses JERS-1 y ALOS............................................................................................241 4.- Aplicaciones radar..................................................................................................................................243 4.1.- Aplicaciones terrestres..............................................................................................................244 4.2.- Aplicaciones agrícolas...............................................................................................................245 IX  4.3.- Aplicaciones forestales..............................................................................................................247 4.4.- Aplicaciones geológicas.............................................................................................................248 4.5.- Aplicaciones hidrológicas..........................................................................................................249 4.6.- Aplicaciones sobre los usos y ocupaciones del suelo....................................................................250 4.7.- Aplicaciones cartográficas.........................................................................................................251 4.8.- Aplicaciones oceanográficas......................................................................................................252 4.9.- Imágenes multidimensionales....................................................................................................254 5.- Fuentes de Información......................................................................................................................... 255 MEDICIÓN DE LA HUMEDAD DEL SUELO: MÉTODOS IN SITU Y TELEDETECCIÓN................259 1.- Introducción......................................................................................................................................... 259 2.- Métodos in situ para el estudio de la humedad del suelo............................................................................ 260 2.1.-Método Gravimétrico................................................................................................................260 2.2.- Sonda de neutrones..................................................................................................................260 2.3.- Sensores de capacitancia............................................................................................................261 3.- Medición de la humedad del suelo mediante TDR.................................................................................... 262 4.- Métodos para la estimación de la humedad superficial del suelo mediante teledetección............................... 264 4.1.- Radiación Gamma....................................................................................................................264 4.2.- Visible.....................................................................................................................................264 4.3.- Infrarrojo térmico....................................................................................................................264 4.4.- Microondas.............................................................................................................................265 4.4.1.- Microondas pasivos........................................................................................................267 4.4.2.- Microondas activos........................................................................................................268 5.- Bibliografía........................................................................................................................................... 271 CARTOGRAFÍA DE IMAGEN Y BASES DE DATOS DE IMÁGENES AEROESPACIALES..................275 1. Introducción.......................................................................................................................................... 275 1.1. Concepto de cartografía de imagen.............................................................................................275 1.2. Comparación mapa de línea-imagen............................................................................................276 1.3. Breve historia de la cartografía de imagen.....................................................................................277 2. Aspectos técnicos del proceso de realización: Cartografía de imagen de satélite y aérea (ortofotos).................. 278  2.1 Selección de las imágenes............................................................................................................279 2.1.1. Diferencias entre imágenes de satélite y aéreas:...................................................................279 2.1.2. Selección de imágenes de satélite:.............................................................................................279 2.1.3. Elección de características de Fotos Aéreas...............................................................................283 2.2. Elección de la resolución de trabajo............................................................................................284 2.3.- La georreferenciación o corrección geométrica...........................................................................285 2.3.1. Corrección Geométrica de imágenes de satélite..................................................................286 2.3.2. Corrección Geométrica de fotografías aéreas: Generación de Ortofotos u ortoproyección....292 2.4. Mosaico de las imágenes............................................................................................................295 2.4.1. Equilibrado radiométrico.................................................................................................296 a) Equilibrado radiométrido de imágenes de satélite....................................................................296 a.2.1) Caso de 2 imágenes:........................................................................................................298 a.2.2) Caso de n imágenes:........................................................................................................299 b) Equilibrado cromático de fotos aéreas...................................................................................300 2.4.2. Trazado de la línea de unión.............................................................................................302 2.5.- Realce visual............................................................................................................................303 2.6.- Formatos de imagen.................................................................................................................305 2.7.- Hardware y software que se emplea en el proceso.......................................................................305 3.- Productos derivados de la imagen tratada.................................................................................................306 3.1.- Cartografía impresa: ortoimágenes de satélite y ortofotomapas.....................................................307 3.1.1.- Adición de elementos vectoriales.....................................................................................307 3.1.2.- Salidas sobre papel.........................................................................................................308 3.1.3.- Control del color...........................................................................................................310 3.1.4.- Impresión en PDF.........................................................................................................310 3.1.5.- Rasterización.................................................................................................................310 3.2. El problema de la percepción del relieve y sus soluciones..............................................................311 3.2.1.- Sombras invertidas en el hemisferio Norte.......................................................................311 3.2.2. Estereogramas sintéticos..................................................................................................312 3.2.3.- Técnicas de visión estereoscópica....................................................................................313 XI  3.2.4. Perspectivas y animaciones...............................................................................................315 3.2.5.- Animaciones.........................................................................................................................316 3.2.6.- Estereogramas de perspectivas................................................................................................316 3.3. Utilización en entornos cartográficos...........................................................................................316 Visualización simple.................................................................................................................317 Diseño gráfico.........................................................................................................................317 Multimedia..............................................................................................................................317 Ofimática................................................................................................................................317 Teledetección..........................................................................................................................317 CAD......................................................................................................................................317 Sistemas de Información geográfica...........................................................................................317 Fotogrametría digital................................................................................................................318 Internet..................................................................................................................................318 4.- Bases de datos y servidores de imágenes cartográficas raster en internet...................................................... 319 4.1.- Aspectos técnicos.....................................................................................................................320 4.1.1.- Almacenamiento............................................................................................................320 4.1.3. Metadatos.......................................................................................................................321 4.1.4. Copyright.......................................................................................................................321 4.2. Posibilidades que se plantean......................................................................................................321 5. Consideraciones finales........................................................................................................................... 322 5.1. Utilidad de la cartografía de imagen.............................................................................................322 5.2. ¿Qué nos depara el futuro?.........................................................................................................324 5.3.- Oportunidades profesionales.....................................................................................................324 6.- Bibliografia........................................................................................................................................... 325 INTEGRACIÓN DE DATOS SIG Y TELEDETECCIÓN...............................................................327 1.- Introducción......................................................................................................................................... 327 2.- Diferencias y similitudes......................................................................................................................... 328 3.- Integración y uso de Teledetección y GIS. Problemática Asociada.............................................................. 329 3.1.- Disponibilidad de datos y costes................................................................................................329  3.2.- Coste de equipamiento.............................................................................................................331 3.3.- Estándares, certificaciones y aspectos educacionales....................................................................331 3.4.- Infraestructuras organizativas....................................................................................................332 4.- El SIG como apoyo a la Teledetección.....................................................................................................332 4.1.- Previo a la clasificación.............................................................................................................333 4.2.- Durante la clasificación.............................................................................................................333 4.3.- Después de la clasificación........................................................................................................334 5.- Incorporación de la información al SIG...................................................................................................334 6.- Vectorización.........................................................................................................................................334 7.- Errores en la integración de datos...........................................................................................................336 8.- Ejemplo de comprobación de resultados obtenidos mediante técnicas de Teledetección utilizando funciones de analisis SIG................................................................................................................................................337 8.- Bibliografía............................................................................................................................................341 ANEXO I......................................................................................................................................342 SOFTWARES DE TELEDETECCIÓN........................................................................................ 343 1.- Introducción..........................................................................................................................................343 2.- Características de un software de teledetección..........................................................................................343 2.1.- Tratamiento y análisis digital de imágenes...................................................................................343 2.2.- Uso de datos vectoriales...........................................................................................................344 2.3.- Datos fotogramétricos y Radar..................................................................................................345 2.4.-Producción cartográfica y más....................................................................................................346 3.- Software específico.................................................................................................................................346 3.1.- Enfoque académico..................................................................................................................346 3.2.- Enfoque profesional.................................................................................................................347 3.3.- Enfoque académico vs enfoque profesional................................................................................348 A nivel de precio.....................................................................................................................348 A nivel de requerimientos hardware..........................................................................................348 Imágenes que pueden tratar......................................................................................................349 3.4.- Otros enfoques........................................................................................................................349 3.4.1.- OSRS (Open Source Remote Sensing).............................................................................349 XIII  3.4.2.- EarthScan.....................................................................................................................349 3.4.3.- Otros............................................................................................................................350 4.- Breve repaso a los diferentes softwares en el mercado............................................................................... 351 4.1.- Idrisi.......................................................................................................................................351 4.2.- Miramon.................................................................................................................................352 4.3.- Illwiss......................................................................................................................................353 4.4.- Grass......................................................................................................................................353 4.5. OSSIM.....................................................................................................................................354 4.6 SAGA-GIS...............................................................................................................................354 4.5.- Erdas Imagine..........................................................................................................................354 4.6.- ERMapper..............................................................................................................................355 4.7.- ENVI.....................................................................................................................................355 4.8.- PCI Geomatica........................................................................................................................355 4.9.- Pixooner PG-Steamer...............................................................................................................356 5.- Referencias........................................................................................................................................... 356  Muñoz Nieto, Ángel Luis Teledetección: Nociones y Aplicaciones ISBN-10: 84-611-1613-5 ISBN-13: 978-84-611-1613-3 Julio, 2006 Editores: Carlos Pérez Gutiérrez Ángel L. Muñoz Nieto Universidad & salamanca Introducción a la Teledetección espacial 1.- Definición y devenir histórico Por Teledetección entendemos, de modo genérico, cualquier procedimiento o técnica de adquisición de información sin tener contacto directo con ella. Sin embargo, de un modo más restringido, y en el ámbito de las ciencias de la Tierra, la Teledetección es entendida como una Técnica que tiene por objeto la captura, tratamiento y análisis de imágenes digitales tomadas desde satélites artificiales. Se abordan, dentro de la acepción del término Teledetección espacial, todos los problemas y procedimientos metodológicos y técnicos que en términos anglosajones quedan enclavados dentro del concepto de Remote Sensing. Aunque en un principio queda contextualizada en este ámbito del conocimiento la Fotogrametría, el carácter cíclico de las tomas desde los satélites, la orientación preferentemente temática, y el carácter multiespectral de la información hacen de la Teledetección espacial una materia diferenciada e independiente dentro de las Ciencias de la Tierra. Podemos situar el comienzo de la Teledetección moderna entorno a 1960 con el desarrollo de las primeras misiones espaciales. En sus orígenes se trata de programas orientados esencialmente a fines militares, si bien no se tardó mucho tiempo en poner en órbita satélites de uso civil. La evolución, desde los comienzos hasta la actualidad ha venido presidida por un constante avance en la calidad de los sensores utilizados, lo que ha permitido alcanzar mejores resoluciones y por tanto la posibilidad de abordar nuevos objetivos científicos. 1  Introducción a la teledetección espacial 2.- Componentes de un sistema de Teledetección El fenómeno de la Teledetección es posible gracias a la interacción de la energía electromagnética con las cubiertas terrestres. Estas tienen un comportamiento reflectivo variable, condicionado tanto por factores externos (ambientales) como por sus propias características físico químicas en el momento de la toma de la imagen. Figura 1: Componentes de un sistema de Teledetección. Tomado de Chuvieco Los manuales describen un sistema de Teledetección como un conjunto de componentes imprescindibles que permiten aproximarnos al conocimiento de esta técnica. El primero de estos componentes es una fuente generadora de radiación electromagnética, el sol. La energía originada por esta fuente se refleja en las distintas cubiertas terrestres, y tras atravesar la atmósfera, es recogida por sensores óptico-electrónicos situados a bordo de vehículos espaciales. Dicha información es transmitida a Tierra, como una señal digital, en forma de matriz numérica. En los sistemas de recepción se lleva a cabo un primer tratamiento de la imagen, gracias al cual son depurados algunos errores de índole geométrico o radiométrico antes de ser distribuida a los usuarios. Por último, la imagen en formato analógico o digital es analizada por los usuarios. Estos realizan procesos de tratamiento visual o digital, tras los cuales se obtienen unos nuevos datos que pueden cobrar forma de mapas temáticos o de 2  Muñoz Nieto, Ángel Luis tablas estadísticas que recogen el comportamiento de una determinada variable espacial. 3.- Superficies reflectantes La superficie de nuestro planeta, de modo global, se considera divida en tres grandes tipos de cubiertas: superficies con agua, superficies con vegetación y suelos. Cada una de esas cubiertas encierra múltiples situaciones individuales distintas. Si pensamos en la diferenciación entre tipos de suelos, de especies vegetales, o en las características que pueden presentar las masas de agua, así como en las circunstancias ambientales a las que pueden verse asociadas las cubiertas terrestres, nos daremos cuenta de la enorme variabilidad de las mismas. Para cada cubierta, el comportamiento espectral, es decir, la forma de reflejar la energía en las distintas longitudes de onda, no es único y homogéneo sino que varía sustancialmente en función de los siguientes factores: - Físicos: en relación con la temperatura, humedad o textura. - Químicos: variaciones de composición, contenido en materia orgánica, etc. - Ambientales: pendiente, orientación, estación del año, hora de la toma, etc. Esta complejidad de comportamientos induce, en primera instancia, dificultades a la hora de interpretar las imágenes, pero por otra parte, y esto es lo realmente importante, enriquece la información capturada introduciendo múltiples matices en ella. De ellos harán uso las diferentes disciplinas para desarrollar estudios e investigaciones en los que la Teledetección aparece como una herramienta de excepcional importancia. 4.- Principios físicos Los fundamentos de la Teledetección se abordan desde el campo de la Física y más concretamente desde los ámbitos de la óptica y la electrónica. La observación remota es posible gracias a la interacción de un flujo energético con las cubiertas terrestres. Dicho flujo recibe el nombre de radiación electromagnética y ha sido explicada por dos teorías físicas. - La primera de ellas es la teoría ondulatoria. Para ella la radiación electromagnética es un fenómeno ondulatorio de propagación en el que actúan dos campos perpendiculares: el magnético y el eléctrico. Esta teoría se explica sobre la base de dos conceptos fundamentales que son la longitud de onda y la frecuencia 3  Introducción a la teledetección espacial Figura 2: Propagación de la energía electromagnética La fórmula esencial en la que se sustentan estas teorías es la siguiente: c = λ∗F Donde c es la velocidad de propagación de la luz (una constante), siendo λ y F la longitud de onda y la frecuencia respectivamente. De esta fórmula se deduce que longitudes de onda pequeñas tendrán altas frecuencias y viceversa. - Por otra parte, la teoría cuántica nos explica el fenómeno de la radiación electromagnética basándose en sus propiedades energéticas siendo la fórmula esencial la siguiente: Q = h∗F Donde Q es la cantidad de energía transportada por una onda, h es una constante (la constante de Planck) y F es la frecuencia. Despejando F en la fórmula precedente y sustituyendo nos encontraríamos con la siguiente expresión: ⎛c⎞ Q = h⎜ ⎟ ⎝λ⎠ Del análisis de esta expresión se deduce que a medida que trabajemos con longitudes de onda mayores, sus contenidos energéticos serán menores y por tanto habrá más dificultades para la detección de estas radiaciones. En el momento actual de desarrollo tecnológico los sensores espaciales utilizan un ámbito reducido de longitudes de onda que van desde el espectro visible, comprendido entre 0.4 y 0.7 micras, hasta el dominio de las microondas (ondas de mas de 1 milímetro), pasando, en un emplazamiento intermedio, por las regiones espectrales del infrarrojo (próximo, medio y térmico). 4  Muñoz Nieto, Ángel Luis Figura 3: El espectro electromagnético Por otra parte, la captura de la información procedente de la Tierra desde la plataforma orbital, se ve limitada por la acción de determinados compuestos químicos como el anhídrido carbónico, el ozono o el vapor de agua que producen un efecto absorbente, cerrando el paso para las ondas en regiones concretas del espectro. 5.- Signaturas espectrales Si en un gráfico representamos la longitud de onda en el eje de las X y la reflectividad en el eje de las Y, podremos observar que cada cubierta se ve representada por una curva característica en él. Estas improntas singulares a modo de rúbricas, personalizan su comportamiento espectral frente al de otras cubiertas. A dichas curvas se las denomina espectros, signaturas o firmas espectrales. Su diferente trazado permite distinguir entre varias cubiertas o entre estados diferentes de una misma cubierta Figura 4: Signaturas espectrales de algunos elementos naturales 5  Introducción a la teledetección espacial Es importante destacar que las signaturas espectrales denotan un comportamiento tipo, determinado a partir de medidas de laboratorio. Sobre este comportamiento tipo cada cubierta puede registrar una serie de variaciones de las que se podrán extraer informaciones interesantes. 6.- La formación de la imagen multiespectral La imagen es capturada a bordo del satélite mediante una serie de detectores fotoeléctricos que transforman los niveles de radiancia, procedentes de la superficie terrestre, en valores numéricos que se denominan niveles digitales. El valor del nivel digital correspondiente a un píxel será, de este modo, proporcional a la intensidad de radiancia procedente del terreno. Para ello se utilizan dispositivos de conversión analógico-digital. Este procedimiento de formación de la imagen digital se repite para cada una de las bandas generándose como resultado final una matriz tridimensional en la que el valor del nivel digital de cada píxel está ubicado en una fila una columna y una banda. De este modo se acuña el concepto de imagen multiespectral. El número de bandas varía considerablemente de unos sensores a otros y se ajusta al propósito para el cual fueron concebidos. Así, a modo de ejemplo, el satélite SPOT cuenta con 4 bandas, el LANDSAT con 7 el NOAA con 5. Algunos sensores hacen del número de bandas su cualidad principal, contando con un número extraordinariamente grande, que puede superar las 200. En este caso hablamos sensores hiperespectrales. Teledetección: Nociones y Aplicaciones ISBN-10: 84-611-1613-5 ISBN-13: 978-84-611-1613-3 Julio, 2006 Editores: Carlos Pérez Gutiérrez Ángel L. Muñoz Nieto Universidad & salamanca Figura 5: Formación de la imagen multiespectral. Tomado de Pinilla 6  Muñoz Nieto, Ángel Luis 7.- Resoluciones de un sensor Mientras que en otros tipos de sistemas cartográficos estamos acostumbrados a relacionar de forma exclusiva resolución y precisión geométrica, en los sistemas sensores de Teledetección se habla de cinco resoluciones distintas. Gracias a ellas pueden evaluarse rangos de precisión referentes a distintos conceptos de suma importancia para el análisis de las imágenes espaciales. Dichas resoluciones son: espacial, radiométrica, espectral, temporal y angular. 7.1.- Resolución espacial Este concepto describe la capacidad del sistema para distinguir objetos en función de su tamaño. Dicho de otro modo, la resolución espacial suele interpretarse como el tamaño del objeto más pequeño que puede ser distinguido en una imagen: tamaño del píxel sobre el terreno. Figura 6: Consecuencias de la resolución espacial. Tomado de Pinilla Con mayor propiedad deberíamos hablar del ángulo subtendido en el satélite por el píxel (IFOV, Instantaneous Field of View), ya que el tamaño del píxel en una escena es variable incrementándose conforme nos alejamos del punto nadiral. En los sensores ópticos electrónicos el tamaño del píxel depende de varios factores como son la altura orbital, la velocidad de exploración del satélite o el número de detectores montados en el sensor. La resolución espacial juega un papel fundamental condicionando la escala de trabajo y la fiabilidad de la interpretación. De modo que cuanto menor sea el tamaño del píxel menor será la posibilidad de que este sea un compuesto de dos cubiertas fronterizas. Sin embargo, en algunas ocasiones puede ser bueno contar con un tamaño de píxel más grande ya que con ello se reduce la variabilidad de categorías. 7  Introducción a la teledetección espacial La tabla siguiente recoge la resolución espacial de algunos sensores: SATÉLITE SENSOR RES. ESPACIAL QUICKBIRD 0.61 m IKONOS 1m ORBVIEW 3 1m SPOT 5 2.5 m SPOT 3 HRV pan 10 m. LANDSAT 7 ETM+ pan 15 m. LANDSAT 5 TM pan 30 m. MOS VTIR 900 m NOAA AVHRR 1100 m METEOSAT VISSR 5000 m. 7.2.- Resolución radiométrica Indica la capacidad del sensor para discriminar niveles o intensidades de radiancia. La energía electromagnética recibida por el sensor, cuando se convierte a nivel digital, necesita un formato binario (número de bits) para codificarse. A mayor número de bits reservados para almacenar el valor de la reflectividad de un píxel, mayor resolución radiométrica. De este modo el sensor TM de LANDSAT tiene una resolución radiométrica de 8 bits con lo que pueden registrarse valores decimales equivalentes en un rango de 0 a 255, es decir 256 (28). Algunos sensores llegan a ofrecer hasta 10 o 12 bits. 7.3.- Resolución espectral Indica el número y anchura de las bandas espectrales que puede discriminar el sensor. En este sentido, un sensor tendrá una resolución espectral mas grande cuanto mayor sea el número de bandas proporcione. A la vez conviene que estas bandas sean suficientemente estrechas con objeto de recoger la señal sobre regiones coherentes del espectro. Bandas muy amplias suponen registrar un valor promedio que puede encubrir la diferenciación espectral entere cubiertas de interés. El siguiente gráfico deja bien aclarado este concepto. Figura 7: Consecuencias de la resolución espectral. Tomada de Pinilla 8  Muñoz Nieto, Ángel Luis 7.4.- Resolución temporal Mide el tiempo de paso del satélite sobre la vertical de un punto. Con ello se determina la periodicidad de adquisición de imágenes de una misma zona. De este modo podemos cuantificar la capacidad que tiene un sistema sensor para registrar los cambios temporales acaecidos sobre una determinada cubierta, lo cual es de vital importancia a la hora de abordar estudios evolutivos. La resolución temporal está condicionada por el tipo de órbita, el ángulo de barrido y la velocidad del satélite. Figura 8: Resolución temporal 7.4.- Resolución angular Por ella se entiende la capacidad que tiene un sensor para tomar imágenes oblicuas. Esta propiedad permite no solamente acortar los ciclos temporales de recobrimiento, sino que posibilita la generación de imágenes estereoscópicas y por tanto la reconstrucción del relieve. En un análisis conjunto de las diferentes resoluciones de los satélites llegaríamos a la conclusión de que un satélite no es mejor ni peor que otro debido a su resolución. Cada misión espacial ha concebido unos sensores adaptados a unos determinados usos y eso es lo importante. 8.- Realces y mejoras visuales de la imagen El primer contacto visual con la imagen del satélite en crudo pone de manifiesto una serie de deficiencias sobre su aspecto. Estas pueden subsanarse de cara a conseguir una mejor interpretación de la misma. Dichas mejoras se concretan en las operaciones de ajuste del contraste y en la generación de aplicaciones en color. Por ajuste del contraste se entienden todas aquellas técnicas de expansión o compresión del histograma de la imagen original que tienen como finalidad acomodarlo al rango dinámico del dispositivo de salida: monitor del ordenador. La mejora del contraste consigue, mediante el retoque radiométrico, aumentar la calidad visual de las imágenes haciendo más eficaz su interpretación. A 9  Introducción a la teledetección espacial tales efectos los software de Teledetección, y los programas de tratamiento de imágenes digitales en general, dispone de múltiples técnicas que se ejecutan de modo sencillo. La imagen digital capturada desde el satélite en principio no es más que un conjunto ordenado de números. El resultado de cargar una sola banda y visualizarla a través del monitor será el de una imagen en blanco y negro, poco atractiva. Para generar imágenes en color se recurre a dos procedimientos: aplicaciones de pseudo color y composiciones en color. La aplicación del pseudo color se lleva a cabo sobre una imagen monobanda y consiste en la asignación a cada píxel, en función de su nivel digital, de una tríada de valores de los colores principales de la síntesis aditiva (rojo, verde y azul). El conjunto de correspondencias se denomina paleta de color. Se genera así una imagen coloreada de aspecto más atractivo que la imagen inicial en blanco y negro. Las composiciones en color, suponen, por el contrario, operar con imágenes multibanda. La técnica consiste en asignar a cada cañón del monitor de video una de las bandas de la imagen multiespectral. En el caso de existir una correspondencia entre las longitudes de onda de las bandas y el color del cañón de video asignado, hablaremos de una composición en color verdadero. Los colores de los objetos se verán del mismo modo que los percibimos a través de nuestro sentido de la vista. En caso contrario, cuando la composición no respete las relaciones entre longitudes de onda de las bandas y cañones de video, hablaremos de una composición en falso color. 9.- El tratamiento previo o restauración de las imágenes El análisis digital de imágenes de satélite toma como materia prima la matriz numérica tridimensional. Las primeras manipulaciones que han de llevarse a cabo tienen como finalidad restaurar la imagen reestableciendo, en la medida de lo posible, las condiciones de la toma. Ello implica el desarrollo de dos tipos de correcciones: unas de índole geométrica y otras de carácter radiométrico. Las correcciones geométricas tienen como finalidad reconstruir la geometría de la imagen, adaptándola a una determinada Proyección cartográfica y a su sistema de coordenadas asociado. Para denominar este tipo de operaciones se ha consolidado el nombre de georreferenciación. Los procedimientos matemáticos que resuelven este problema y las metodologías usadas para su implementación mediante algoritmos en las aplicaciones informáticas de Teledetección son muy variados. Las correcciones radiométricas, pretenden reestablecer los valores de los niveles digitales de la imagen depurando cualquier anomalía en su registro achacable, bien a defectos en el sistema sensor, bien a las condiciones ambientales de la toma. 10  Muñoz Nieto, Ángel Luis 10.- El análisis de las imágenes El análisis de las imágenes procedentes del satélite puede llevarse a cabo de dos modos: mediante interpretación visual o bien mediante técnicas de tratamiento digital de información multiespectral. La interpretación visual pretende, sin intervención del ordenador, extraer información espacial a partir del análisis de la imagen y sus cualidades (brillo, color, textura, forma, tamaño de los elementos que la componen). El tratamiento digital se encamina, del mismo modo, hacia la extracción de información temática del territorio, pero haciendo uso de técnicas matemáticas y estadísticas implementadas mediante algoritmos en programas informáticos. Estas técnicas se engloban dentro del campo de la clasificación digital y se desarrollan en tres fases: entrenamiento, asignación y verificación. La fase de entrenamiento tiene por objeto la determinación de unas áreas piloto para cada una de las categorías en las que se pretende clasificar la imagen. De ellas el ordenador extraerá los valores estadísticos característicos (media aritmética, desviación típica, rango…) en cada una de las bandas para posteriormente tomarlos en consideración a la hora de asignar el resto de los píxeles a las categorías preestablecidas. La fase de asignación persigue la categorización de todos los píxeles de la imagen atribuyéndoles una categoría informacional. Para ello existen múltiples criterios que se desarrollan apoyándose en teorías probabilísticas, y que reciben el nombre de clasificadores: de mínima distancia, de paralelepípedos, de máxima probabilidad, de lógica borrosa, redes neuronales, clasificadores en árbol… Finalizan las tareas de clasificación mediante la ejecución de los trabajos de verificación. Se pretende en esta fase final analizar la bondad de los resultados obtenidos en la clasificación temática contrastándolos con la verdad-terreno mediante un muestreo de campo. La definición del tamaño y forma de la muestra son cruciales y han de llevarse a cabo de modo riguroso. El resultado del contraste entre el mapa temático obtenido y la verdad-terreno se recoge en una tabla de contingencias que se denomina matriz de confusión. De su análisis estadístico se infiere la fiabilidad de los resultados obtenidos. 11.- Técnicas de análisis hiperespectral Los avances tecnológicos de los últimos años están constatando el empuje de la teledetección hiperespectral. La alta resolución espectral de estos sensores posibilita la captura de información en un gran número de bandas (decenas y a veces centenares). Con la 11  Introducción a la teledetección espacial información de todas ellas es posible la reconstrucción de un espectro continuo para cada píxel. El volumen de información a manejar es considerablemente mayor que con las imágenes multiespectrales y se desarrollan técnicas de tratamiento específicas que se basan en la comparación de los espectros reconstruidos para cada píxel con los espectros de laboratorio almacenados en bibliotecas de espectros. 12.- Principales aplicaciones de la Teledetección Las aplicaciones de la Teledetección se extienden a través de una gran variedad de disciplinas en las que la variable espacial entra en juego. Si bien en los últimos años se observa el acercamiento a esta disciplina de nuevos usuarios prodecentes de campos tan variados como el periodismo o los seguros. Como ejemplo de aplicaciones en las que las imágenes espaciales han acreditado su valía como herramienta de investigación, podemos mencionar las siguientes: - Estudios de erosión en playas y arenales - Inventarios de recursos para estudios de impacto ambiental. - Cartografía geológica. - Control de la acumulación nival para la previsión de riesgos y disponibilidad hidroeléctrica. - Control de movimientos de iceberg. - Estimación de modelos de escorrentía y erosión. - Análisis en tiempo real de masas nubosas. - Medidas de aguas superficiales y humedales. - Verificación de contenidos de salinidad. - Cartografía térmica de la superficie del mar para el estudio de las corrientes marinas. - Cartografía de la cobertura vegetal del suelo. - Predicción de rendimientos de cultivos. - Etc. 13.- Principales programas de observación remota de la Tierra. Son muchas las misiones de observación de la Tierra que han sido desarrolladas desde finales de los años sesenta. Hacer un recorrido exhaustivo por 12  Muñoz Nieto, Ángel Luis todas y cada una de ellas es un objetivo que queda fuera del propósito de este artículo introductorio. Plantear un recorrido coherente por cada uno de los programas espaciales implicaría establecer una clasificación de los mismos en función de algunos de los variados criterios disponibles. Así podríamos diferenciar los programas atendiendo al propósito para que fueron concebidos: estudios atmosféricos (satélites meteorológicos), ambientales (LANDSAT, Terra, SPOT…), oceanográficos (SEASAT, OKEAN), geológicos, etc. Si bien algunos satélites cuentan con un número grande de sensores de modo que sirven simultáneamente para múltiples propósitos (ENVISAT). Otro criterio válido, de índole cartográfico, nos permitiría diferenciar los satélites en función de su resolución espacial, y por ende de la escala a la que pueden plasmarse los resultados de la manipulación de sus imágenes. En este sentido existen programas de observación global de la Tierra como los meteorológicos (METEOSAT, GOES, GOMS, INSAT) en los que los fenómenos a estudiar se desenvuelven en un ámbito planetario. En el extremo opuesto tendríamos que hablar de los modernos satélites de alta resolución con tamaño de píxel por debajo del metro y posibilidades de estudio de fenómenos como el desarrollo urbano, a escalas más grandes (IKONOS, QUICKBIRD, OrbView). También podemos establecer una diferenciación basada en el tipo de órbita que nos llevaría a diferenciar entre satélites geosíncronos o geoestacionarios y satélites heliosíncronos. Serían los primeros aquellos que en una órbita muy alejada de la Tierra (entorno a 36.000 Km.) giran sobre la Tierra con la misma velocidad angular, lo que posibilita la observación invariable del mismo disco terrestre. Los satélites heliosíncronos, por el contrario orbitan más cerca de la superficie terrestre, cifrándose sus alturas orbitales por debajo de los 1000 Km. Sus trayectorias, en la mayor parte de los casos polares, unidas al movimiento de rotación terrestre, provocan un barrido sistemático de la Tierra, calculándose de modo que pasen por la vertical de un punto siempre a la misma hora solar, de ahí su denominación. La instrumentación a bordo del satélite podría ser otro argumento en el que sustanciar diferentes tipos de plataformas: sensores de barrido, de empuje, instrumentación microondas activa, radar de apertura sintética, lidar, sensores hiperespectrales, cámaras CCD…. El ámbito de las aplicaciones, civiles o militares (clasificadas) serviría también como criterio de clasificación. Puestas de manifiesto las múltiples opciones disponibles a la hora de desarrollar una clasificación rigurosa de las plataformas espaciales, tan sólo nos detendremos en la descripción de las características de algunas de las misiones más importantes desde el punto de vista de las Ciencias de la Tierra. 13  Introducción a la teledetección espacial Figura 9: Trazas de la órbita del satélite Landsat El programa estadounidense LANDSAT, cuyo primer satélite se pone en órbita en 1972, dadas las buenas características de sus sensores, la continuidad hasta nuestros días, y su buena distribución constituye una de las fuentes más importantes de imágenes espaciales para el estudio de los recursos terrestres. Actualmente los problemas operativos de los dos últimos satélites de este proyecto (Landsat 5 y 7) han puesto en cuestión la continuidad del programa, que por otra parte puede entenderse que continua a través de otras misiones de la propia NASA. En todo caso la homogénea biblioteca de datos Landsat constituye una riquísima fuente documental para las Ciencias de la Tierra. Desde mediados de los años 80, liderados por Francia, un grupo de países europeos ponen en marcha el programa SPOT del cual se han lanzado a fecha de hoy 5 satélites con resoluciones espaciales, que en el caso del último, lanzado a principios de 2002 han alcanzado valores de 2.5 metros en modo pancromático. La característica diferenciadora de estos satélites es la posibilidad de variar el ángulo de toma y por tanto la viabilidad de reconstrucciones estereoscópicas del terreno a partir de las que puede modelizarse digitalmente (formación de MDT). En la moderna misión Terra-Aqua avalada por las agencias espaciales estadounidense y japonesa cabe destacar, en el ámbito de la observación de la Tierra los datos aportados por los sensores Aster y Modis. El primero de ellos se caracteriza por ofrecer una resolución espacial que le permite trabajar en rangos de escalas equiparables a la misión Landsat. Sin embargo destaca por la posibilidad de tomas oblicuas que posibilitan la formación de modelos estereoscópicos del mismo modo que el SPOT. 14  Muñoz Nieto, Ángel Luis Figura 10: Estereoscopia con el satélite Spot La India ha desarrollado una política muy activa de observación de la Tierra desde los años 60. El fruto más representativo de estos programas es la serie de satélites IRS cuyas imágenes se comercializan a nivel mundial alcanzando muy buena resolución espacial, del orden de 5.8 metros. Del mismo modo la colaboración entre las agencias espaciales china y brasileña ha hecho posible el programa espacial CBERS orientado también al estudio de los recursos naturales. Dentro de los satélites meteorológicos y con propósitos de estudios a escalas regional e incluso continental cabe destacar por su continuidad desde los años 70, su alta resolución temporal (una imagen cada doce horas) el programa NOAA del que se llevan lanzados 15 satélites. El sensor más utilizado en aplicaciones terrestres es el AVHRR que cuenta con una resolución espacial de 1.1 Km. en el nadir observando cinco bandas del espectro. Cabe destacar la distribución libre de estas imágenes y los problemas geométricos y radiométricos que se derivan del ángulo de apertura. En el ámbito de la Agencia Espacial Europea (ESA) se desarrolla un programa de lanzamiento de satélites de teledetección que comienza con la puesta en órbita del ERS 1 en 1991, continuando en 1995 con el ERS 2 dotados de sensores radar e infrarrojo térmico. En marzo de 2002 se ha lanzado al espacio el satélite ENVISAT en el marco de un proyecto multidisciplinar muy ambicioso para el cual dicho satélite cuenta con una gran variedad de sensores a bordo. Mención aparte merecen los satélites de última generación denominados de alta resolución, que han sido puestos en órbita gracias, no ya a administraciones públicas, sino a agencias comerciales esencialmente estadounidenses, que trabajando con resoluciones espaciales ya submétricas amplían el rango de escalas y por lo tanto de estudios abordables desde la Teledetección espacial. Para terminar mencionar la existencia de programas fructíferos desarrollados por países como Canadá (RADARSAT) Japón (MOS, JERS) Rusia (RESURS, 15  Introducción a la teledetección espacial METEOR, OKEAN, GOMS, ALMAZ), o Argentina (SAC-C), así como la proliferación de microsatélites. Se estima que actualmente un total de 42 paises cuentan con satélites de observación de la Tierra. 14.- Bibliografía CHUVIECO SALINERO, E: “Teledetección ambiental. La observación de la Tierra desde el Espacio”. Ed. Ariel Ciencia. Madrid 2002”. LILLESAND, THOMAS M., KIEFER, R.W.: “Remote sensing and image interpretation” Ed. Wiley & Sons. 1987. PINILLA, C.: “Elementos de Teledetección espacial”. Ed. RA-MA 1995. RICHARDS, J.: “Remote Sensing digital image analysis”. Ed. Springer Verlag 1986. KRAMER, H.J.,: “Observation of the earth and its environment”. 4ª ed. Springer, cop. 2002. Teledetección: Nociones y Aplicaciones ISBN-10: 84-611-1613-5 ISBN-13: 978-84-611-1613-3 Julio, 2006 Editores: Carlos Pérez Gutiérrez Ángel L. Muñoz Nieto Universidad & salamanca 16  del Val Riaño, Juan Antonio y Gonzalo Calderón, Ana Belén Fundamentos Físicos de la Teledetección Espacial 1.- Introducción Simplificando al máximo la cuestión, podríamos definir los sistemas de teledetección espacial como aquellos que registran para cada punto del terreno (parametrizado por las coordenadas x-y) la proporción de radiación electromagnética de longitud de onda λ emitida o reflejada por el mismo. Las modernas plataformas aéreas y de satélites disponen de sensores cada vez mejores, de modo que son capaces de recoger imágenes del terreno con una alta resolución espacial y espectral. Esto es, recogen multitud de imágenes con gran detalle espacial (valores pequeños de Δx, Δy), y en multitud de longitudes de onda diferentes del espectro electromagnético con pequeños intervalos Δλ, tanto en el visible-infrarrojo, como en las microondas para las imágenes radar. Esto, aunque obliga a trabajar con grandes volúmenes de información, permite sin duda mejorar enormemente la capacidad de identificación de objetos del terreno en estudio. 2.- Procesos de calibración de la imagen La figura 1 muestra en un diagrama de bloques los dos procesos fundamentales de calibración que es necesario realizar sobre la imagen digital “en bruto” que proporciona el satélite o plataforma de teledetección. Por un lado es necesaria una calibración geométrica. En ella se corrigen por ejemplo las distorsiones espaciales en los píxeles debido a la perspectiva cónica con que se toma la imagen desde el sensor, y se pasa a una perspectiva ortográfica (punto de vista de la imagen en el infinito) obteniéndose lo que se conoce como ortoimagen. También incluimos en el proceso de calibración geométrica cualquier tipo de cambio de escala o zoom, giros y desplazamientos sobre la imagen, conducentes a poder ajustarla a mapas y modelos del terreno previos, a efectuar mosaicos de múltiples imágenes, etc. En todas las operaciones geométricas anteriores se necesitan unos puntos de apoyo o de control fácilmente identificables sobre la imagen cuyas coordenadas finales se conocen. Con estos puntos de apoyo se pueden determinar las funciones polinómicas o matriciales que permiten transformar todos los píxeles de la imagen “en bruto” en los de la imagen final, 17  Introducción a la teledetección espacial cuyas coordenadas espaciales se corresponden ahora con las del terreno y permiten por ello evaluar objetivamente las características espaciales de los objetos en estudio. De igual modo, es necesario un proceso de calibración radiométrica que permita extraer información fiable y objetiva sobre la reflectancia de cada punto del terreno, esto es sobre la proporción de flujo de energía electromagnética en cada longitud de onda que refleja cada punto del espacio considerado. Dado que en última instancia esta es la magnitud física relevante que nos permitirá distinguir unos puntos de otros, merece la pena detenernos a estudiar cada una de las etapas que intervienen en la calibración radiométrica. CALIBRACIÓN RADIOMÉTRICA Nivel radiancia L en radiancia L en reflectancia ρ Digital el sensor la superficie de la superficie de gris corrección calibración del corrección topográfica y sensor atmosférica solar L E ρ CALIBRACIÓN GEOMÉTRICA Imagen Imagen transformada corregida geométricamente (ortoimagen) puntos de control y modelos polinómico- matriciales Remuestreo (interpolación) Figura 1: Procesos de calibración de la imagen digital De acuerdo con la Figura 1, el nivel digital de gris que se asigna en la pantalla del ordenador a un píxel será una función de la radiancia L que llega al sensor. La calibración del sensor permite conocer esta función o proporción, normalmente lineal, entre ambas magnitudes. Si tenemos en cuenta que entre la radiancia que registra el sensor y la que proviene desde un punto de la superficie se interpone la atmósfera también habrá que calibrar el efecto de atenuación que ésta tiene en la radiación. Finalmente la radiancia del punto objeto considerado sobre la superficie en estudio depende a su vez de la intensidad de energía electromagnética que recibe desde la fuente que lo ilumina. Este parámetro lo conocemos como irradiancia E. En este factor influye la inclinación de los rayos de la fuente sobre el terreno. La fuente es normalmente el sol en la teledetección pasiva, pero puede ser el propio satélite o plataforma aérea en la teledetección activa mediante láser o radar. 18  del Val Riaño, Juan Antonio y Gonzalo Calderón, Ana Belén De la proporción entre irradiancia E y radiancia L del punto del terreno sacamos el valor de reflectancia ρ, característico del material. Valores de ρ elevados (próximos a la unidad) significan objetos intrínsecamente muy claros o brillantes, mientras que valores de ρ próximos a cero denota objetos muy oscuros. ρ es a su vez una función de la longitud de onda, de modo que un material muy brillante en una longitud de onda puede ser muy oscuro en otra. Esta es la característica o “firma” espectral del terreno que permite identificar los objetos. Para ello previamente en el laboratorio se calibra ρ(λ) para los diferentes objetos en estudio (aguas, vegetales, minerales y tierras diferentes, materiales de edificios, etc.) con ayuda de un espectrorradiómetro. Como vemos, en el proceso de calibración radiométrica han ido apareciendo diferentes magnitudes físicas relativas a la radiación electromagnética (radiancia L, irradiancia E…) así como elementos físicos que intervienen en el proceso (la fuente de iluminación, la atmósfera, el sensor…). Para conocer con un poco más de detalle los fundamentos físicos de todo este proceso repasaremos a continuación algunas nociones fundamentales sobre la radiación electromagnética. 3.- La radiación electromagnética Como hemos visto la radiación electromagnética es la fuente de información básica en la teledetección, por ello abordaremos su estudio desde un triple aspecto: 1º) La emisión, esto es, el estudio de las fuentes de ondas electromagnéticas en las diferentes escalas del espectro. Nos detendremos en la emisión de las antenas de microondas para el radar, y la emisión atómico-molecular para el infrarrojo y visible. 2º) La propagación. En particular veremos la direccionalidad de la radiación que va ligada muy estrechamente a la resolución espacial del sensor, y el efecto de absorción y esparcimiento atmosféricos, que crean problemas en la imagen como pérdidas de brillo y contraste, que posteriormente se han de corregir con el procesado digital de la misma. 3º) La detección. Repasaremos el fundamento físico de los diferentes detectores para las distintas bandas espectrales (microondas, infrarrojo y visible). 3.1.- La emisión de radiación electromagnética El funcionamiento de las antenas representado en la figura 2 permite visualizar de modo sencillo este proceso. Cuando las cargas eléctricas de signo opuesto en los dos extremos de un material conductor (metales) vibran u oscilan (comienzan a moverse unas hacia las otras por atracción eléctrica), en el espacio circundante se genera un campo eléctrico que reproduce el patrón de oscilación de dichas cargas. Este campo 19  Introducción a la teledetección espacial eléctrico variable lleva a su vez asociado siempre un campo magnético perpendicular al mismo, y por ello hablamos de campo electromagnético (figura 3). λ/2 λ = cT = c/f Figura 2: Emisión de ondas electromagnéticas de una antena. Tomado de Tippler. Siempre que se propaga una vibración en el espacio desde un foco dado hablamos de onda. La velocidad a la que se propaga la onda en el vacío es c=300.000 Km/s, y dado que el periodo o tiempo invertido en una oscilación completa de la carga de un extremo a otro de la antena y vuelta a la situación inicial es T, tendremos que el espacio recorrido por la onda en ese tiempo será precisamente lo que denominamos longitud de onda λ = c T. Como el número de vibraciones por segundo se denomina frecuencia f de la oscilación, y este número es el inverso del periodo, resulta λ = c/f. Tenemos así la relación fundamental entre longitud de onda y frecuencia para una onda dada del espectro electromagnético. Figura 3: Propagación en el espacio de una onda electromagnética. Tomado de Tippler. Según el tamaño de la antena emisora (típicamente la antena dipolar tiene un tamañ