Sensores remotos

La teledetección es la disciplina científico- técnica o ciencia aplicada con fines diagnóstico-investigativos que permite obtener información cualitativa y cuantitativa del medio ambiente y de los objetos situados a distancia de un sensor mediante la medida de las radiaciones electromagnéticas (emitidas, reflejadas o transmitidas) que interactúa con las superficies físicas de interés.

Utiliza fotos o datos numéricos detectados por aeronaves , satélites , drones tipo UAV o sondas espaciales para caracterizar la superficie de un planeta en sus parámetros de interés (en este caso hablamos de monitorización ambiental) con aplicaciones tanto en el ámbito civil como militar. . Por lo tanto, pertenece al campo disciplinario más amplio del llamado sector de la "geoinformación", aunque puede incluir técnicas y sistemas de teledetección espacial. La observación de la tierra desde el espacio ha viajado y viaja de la mano del desarrollo de los satélites artificiales (en concreto, los satélites de teledetección ), las telecomunicaciones por satélite y los sensores de detección .

Etimología

El término "detección remota" se compone de la combinación de dos palabras: [1]

"tele" que del griego significa "desde lejos";
"detección", que es sinónimo de observación cuantitativa o cualitativa.

En general, con el término "detección remota" queremos expresar la adquisición de información sobre objetos colocados a cierta distancia.

“La teledetección es el conjunto de todos los métodos de observación de la tierra en los que la radiación electromagnética constituye el vehículo de transporte de información desde el objeto de investigación hasta el sensor”

( Dermanis, Biagi [1] )

Historia

La historia de la teledetección se puede resumir en unos pasos fundamentales: [1]

1840 - La primera plataforma utilizada fue el globo aerostático con una cámara a bordo;
1909 - Otra plataforma que se utilizó fue la paloma , a la que se acoplaron cámaras livianas (70 gramos);
1943 - Se utilizaron misiles alemanes V2 como plataforma;
1957 - La nave espacial Sputnik se utiliza como plataforma ;
1960 - Se adaptan los primeros satélites meteorológicos para poder tomar fotos en blanco y negro, y medir parámetros atmosféricos;
1972 - Antes de la llegada de Skylab , llega el transbordador espacial , el primer satélite para la detección remota de la tierra, el Landsat ;
1980 - Nacimiento de varios sensores especializados: Escáner de color de zona costera (CZCS), Misión de mapeo de capacidad térmica (HCMM) y Radiómetros avanzados de muy alta resolución (AVHRR);
1999 - Lanzamiento de Ikonos, el primer satélite comercial de alta resolución;

A partir de aquí, aparecen sensores de radar (también con apertura sintética ), satélites para estudios oceánicos y una carrera por una mayor resolución espacial.

Descripción

El estudio de un fenómeno o de una superficie realizado con técnicas de teledetección consta de tres fases bien diferenciadas:

adquisición de datos por disparo desde tierra, avión, UAV o satélite con herramientas apropiadas;
procesamiento de datos (directamente en el satélite o en tierra después del envío) con creación de imágenes digitales;
interpretación y uso de los datos en el análisis deseado.

En particular, los parámetros del campo electromagnético se pueden detectar, como la potencia electromagnética asociada con el flujo de radiación, la amplitud del campo electromagnético , la fase y la polarización (ver también cantidades radiométricas ). Es posible correlacionar esta información de campo con los diversos parámetros ambientales (y no solo) de interés (normalmente detectando y reconociendo la firma espectral de los elementos o compuestos químicos), obteniendo así información útil para el análisis deseado en forma de datos digitales . imágenes a través del procesamiento de datos electromagnéticos.

Beneficios

El potencial y los resultados que ofrece este método son considerables si tenemos en cuenta la relativa facilidad para obtener información de cualquier tipo (sobre todo de parámetros ambientales), en poco tiempo, a distancia, repetida en el tiempo o incluso en algunos casos de forma casi continua, con una gran cobertura espacial, con mayor objetividad y precisión y también con una mayor economía global que los métodos de detección convencionales.

Supone por tanto una auténtica revolución en el campo de la vigilancia ambiental, de hecho una realidad ya asentada desde hace tiempo y con cada vez mayores aplicaciones y difusión. En muchas situaciones es necesario, tras el análisis de los datos registrados por satélite o aeronave, disponer de datos puntuales con un alto grado de resolución sobre el territorio que permitan obtener información para cruzarla con datos a mayor escala.

Para obtener estos datos , se pueden utilizar aviones pilotados a distancia (APR, comúnmente llamados drones), en particular los miniUAV de Esacopter que realizan la función de sensores de proximidad: estos sistemas se pueden utilizar de hecho para estudios aéreos a baja altitud (detección remota de proximidad), montando sensores de dimensiones cada vez más miniaturizadas a bordo. Al registrar, durante la misión de vuelo, la trayectoria seguida, el mismo camino puede repetirse en el tiempo, lo que permite un análisis multitemporal de los datos de la misma área bajo análisis.

Herramientas

Las herramientas utilizadas para la adquisición pueden proporcionar mediciones únicas de radiancia , como radiómetros o espectrorradiómetros, o conjuntos de mediciones de radiancia (imágenes digitales), como cámaras, cámaras termográficas o dispositivos de exploración. Estos instrumentos, llamados sensores , pueden montarse en satélites en órbita o en el aire. Desde un punto de vista espacial, el sensor generalmente cubre una porción o área de la superficie terrestre llamada 'campo de visión' expresado por un ángulo de apertura con un ancho de franja , una función del ángulo y la elevación es igual a: $\ a$ $\ a$ $\H$

$\ W = 2Htan (a/2)$ .

En general, los sensores pueden ser:

pasivos si miden la firma espectral de la radiación electromagnética emitida (según las leyes del cuerpo negro , Stefan-Boltzmann , etc...) ( emisividad ) o reflejada ( reflectancia ) a partir de fuentes electromagnéticas naturales como el Sol y procedentes de las superficies investigadas, como el coma en el caso de los radiómetros .
activos si ellos mismos proporcionan la iluminación electromagnética de las superficies de interés, y luego capturan la radiación electromagnética de retorno ( retrodispersión ) midiendo una vez más la firma espectral en términos de reflectancia , como por ejemplo en el caso de los radares .

En comparación con el uso de una sola banda espectral extendida, el uso de diferentes bandas espectrales de adquisición seleccionables permite identificar mejor los tipos de suelo o en general la sustancia o elemento químico de interés o detectando su firma espectral característica al discriminarla de las demás. . . En particular, la región del espectro electromagnético de interés en la teledetección terrestre es típicamente la del espectro óptico e infrarrojo , a su vez subdividida, mientras que en radioastronomía el espectro de interés también incluye fuentes de ondas de radio , microondas , ultravioleta , rayos X y rayos gama Desde este punto de vista, los sensores se pueden dividir en:

pancromático :
- utilizan toda la banda del espectro visible ;
- Tienen una alta resolución espacial.
multiespectral :
- generalmente usan 3-7 bandas espectrales , donde las bandas RGB suelen estar presentes ;
- tienden a tener baja resolución espacial (> 1 metro);
hiperespectral : [2]
- utilizan un elevado número de bandas espectrales (normalmente más de cien);
- anchos de banda alrededor de 0,1-0,2 µm;
- baja resolución espacial.

Parámetros de resolución

De un conjunto de datos dado , se pueden describir cuatro cosas principales:

resolución espacial , o qué dimensión corresponde a un píxel en la imagen de detección remota. Normalmente un píxel representa un área cuadrada, y con los satélites modernos es posible alcanzar resoluciones de unos 40 centímetros; la resolución espacial es mayor con sensores pancromáticos que con sensores multiespectrales e hiperespectrales.
resolución espectral , que es el ancho de las bandas espectrales en las que se graba la imagen. Suele depender del número de bandas espectrales del sensor. Por ejemplo, el sensor Landsat 7 tiene 7 bandas espectrales (sensor TM Tematic Mapper ), unas en el espectro infrarrojo, otras en el visible, con una resolución global entre 0,07 y 2,1 µm. Otro ejemplo es el sensor Hyperion montado a bordo del Earth Observing-1 , con 220 bandas espectrales que van desde 0,4 a 2,5 µm, con una resolución espectral entre 0,10 y 0,11 µm por banda;
resolución radiométrica , es decir, el número de intensidades de radiación diferentes que el sensor es capaz de distinguir. Normalmente este valor oscila entre 8 y 14 bits, que corresponden a 256 y 16384 niveles de gris para cada banda. Este parámetro también depende del ruido del instrumento y puede alterarse de alguna manera con técnicas de procesamiento de imágenes de teledetección aumentando el contraste.
resolución temporal , que es el tiempo que tarda un satélite o una aeronave en sobrevolar un punto determinado de nuevo. Esta resolución se puede aumentar utilizando constelaciones de satélites. Muy útil para discriminar cambios en una región dada.

Además, un conjunto de datos generalmente debe corregirse tanto radiométricamente como eliminar la presencia de perturbaciones en la atmósfera:

corrección radiométrica : devuelve una escala de valores de píxeles, por ejemplo, una escala monocromática de 0 a 255 se convierte de acuerdo con los valores de radiancia ( función Gamma );
corrección atmosférica : elimina la neblina creada por la atmósfera terrestre , reescalando las bandas espectrales, de forma que el valor mínimo (normalmente el referido al agua) corresponde al valor 0 ( función de distribución de reflectancia bidireccional ). Por ejemplo, es necesario filtrar parte de la radiancia correspondiente al azul debido a la retrodispersión hacia el sensor debido a la dispersión de Rayleigh debida a los gases atmosféricos.

Técnicas

Las diversas técnicas de teledetección también se distinguen según la parte del espectro electromagnético utilizada o los canales espectrales: van desde el espectro visible e infrarrojo hasta el de las microondas . Las técnicas de teledetección activa ampliamente utilizadas y efectivas son, por ejemplo , la interferometría de radar en el rango de microondas utilizando radar de apertura sintética (SAR), Lidar en el rango visible-infrarrojo (detección remota óptica) o radiometría pasiva simple; en el caso de la radioastronomía hablamos de teledetección espacial. En cierto modo, también pertenecen a la teledetección las técnicas de diagnóstico mediante sonar como la ecosonda y el SODAR , que no utilizan ondas electromagnéticas, sino ondas acústicas .

Procesamiento de imágenes

Por lo general, una parte destacada de la adquisición de información de teledetección consiste en procesarla en imágenes adecuadas y su posterior análisis.

Entre estas operaciones se encuentra la digitalización de la información electromagnética obtenida del sondeo del territorio de interés: la imagen obtenida se representa a través de píxeles en el monitor de visualización en una cuadrícula de filas Y y columnas X. Cada valor electromagnético detectado para cada píxel del el territorio observado se digitaliza o codifica en varios niveles discretos de cuantización dando vida a números adimensionales denominados Números Digitales (DN) favoreciendo su representación y cuantificación: cuanto más altos los niveles de cuantización, más fina y detallada es la resolución cromática de la imagen expresada en escala de grises . Estos valores de DN son, por lo tanto, proporcionales a la cantidad electromagnética de interés. En general, también es posible obtener la distribución de frecuencias de los DN de la imagen en forma de histograma , tanto globalmente como para perfiles arbitrarios de la fila Y y la columna X, con parámetros estadísticos relativos de media , varianza , desviación estándar , moda , mediana .

Las imágenes pueden referirse a bandas espectrales únicas de observación oa múltiples bandas acumulativas hasta el caso de todo el espectro visible e infrarrojo ( imagen pancromática ). En otros casos las imágenes pueden ser simples fotos aéreas o de satélites en órbita muy baja ( LEO a 500 km) y de muy alta resolución como es el caso de Google Earth .

A partir de una foto en escala de grises, es posible obtener una imagen en color asociando los respectivos colores físicos ( color verdadero ) a las bandas ópticas de barrido: la imagen así obtenida es aproximadamente la que más se acerca a una imagen fotográfica, aunque no con la resolución espectral en todos los colores que tiene el ojo humano en su lugar.

También es posible asociar otros colores que no se corresponden con los reales de las bandas de escaneo ( color falso ), a menudo utilizados para resaltar mejor los diferentes tipos de superficies investigadas, pudiendo así crear mapas temáticos .

Alternativamente, es posible crear mapas temáticos más detallados seleccionando manualmente porciones homogéneas de imágenes ( campo de entrenamiento ) que representen diferentes clases de superficies (suelo desnudo, césped, bosque, entorno suburbano y urbano, infraestructuras), asignándoles un color apropiado. , con el software que extiende el color seleccionado al resto de la imagen con superficies de igual resplandor establecido.

Para la detección y el estudio fenológico de la cubierta vegetal se utilizan los llamados mapas NDVI donde un índice adecuado (el NDVI de hecho) permite visualizar mejor la información relativa a este tipo de superficie y la densidad de la vegetación en relación con cualquier fase de crecimiento anual.

Además, son posibles elaboraciones que creen mapas de radiancia diferencial (o DN) entre dos imágenes en diferentes instantes de tiempo de adquisición (por ejemplo a una distancia de meses o años) utilizados por ejemplo para monitorear siempre el estado fenológico en las diferentes fases vegetativas de el año, el crecimiento de la cubierta vegetal, agrícola o urbana a lo largo de los años o variaciones anómalas en el contexto infraestructural (por ejemplo, seguimiento de fenómenos de edificación no autorizada o evaluación de impacto ambiental ).

Software de teledetección

Existe una gran cantidad de programas propietarios y de código abierto para la manipulación de datos de sensores remotos . Los software propietarios más utilizados son:

ERDAS
ESRI
ENVI [3]
PCI Geomática [4]
CONJUNTO DE SOCET

Entre los open source, sin embargo, destacan los siguientes:

Aplicaciones

Las principales aplicaciones de la teledetección en el ámbito medioambiental son:

seguimiento de la atmósfera (composición, perfiles meteorológicos, nubosidad , precipitación , viento , entrada de modelos de predicción y predicción inmediata ) y del océano , incluidas las actividades en el mar y las zonas costeras ( circulación marina/oceánica , movimiento de las olas , nivel del mar , temperatura , biología marina , contaminación del agua );
climatología : comprensión y evaluación de los procesos climáticos (p. ej ., desertificación , aerosoles , variaciones del albedo );
contaminación : control de sustancias contaminantes en la atmósfera (por ejemplo, ozono en las capas inferiores o en la estratosfera , dióxido de carbono );
glaciología : tipo, espesor, extensión y movimientos del hielo marino y terrestre también gracias al uso de gravímetros aéreos ;
geología , geomorfología , geodesia : fallas y anomalías, movimientos tectónicos , inestabilidad de taludes e inestabilidad hidrogeológica , identificación de tipos de rocas , identificación geomorfométrica a través de modelos digitales de elevación;
topografía y cartografía : mapas geográficos básicos y temáticos ;
arqueología : identificación de sitios enterrados antiguos, estudio del paleoambiente;
agricultura , bosques , vegetación : cartografía, estado fenológico y sanitario, humedad, estimación de producción, indicaciones de cultivo;
Hidrología e hidrogeología : recursos hídricos , precipitación, modelos de entrada de escorrentía , evapotranspiración , degradación del suelo , erosionabilidad del suelo , salinización ;
predicción y control de desastres , evaluación de riesgos: incendios , inundaciones , inestabilidad, control de áreas inaccesibles;
gestión del suelo: inventarios de recursos, apoyo a la planificación, evaluación del impacto ambiental , lucha contra la construcción ilegal y los delitos ambientales ;
investigaciones militares: identificación y estudio de sitios ocultos de importancia estratégica para acciones militares posteriores;
urbanismo y desarrollo sostenible : análisis del uso del suelo para una planificación urbana cuidadosa y sostenible.

Revistas

GEOmedia, revista italiana de geomática y geografía inteligente , en rivistageomedia.it .

Notas

Bibliografía

PA Brivio, GM Lechi, E. Zilioli, Principios y métodos de la percepción remota , 1.ª ed., Universidad UTET, 2006, ISBN 88-251-7293-1 .
Mario A. Gomarasca (1997, 2ª Ed. 2000): Introducción a la teledetección y SIG para la Gestión de Recursos Agrícolas y Medioambientales , Asociación Italiana de Ediciones de Teledetección
Lasaponara, R. y Masini N. 2012: Teledetección satelital: una nueva herramienta para la arqueología. Serie de procesamiento de imágenes digitales y detección remota, volumen 16, 364 págs., ISBN 978-90-481-8801-7
Marletto, V. (editado por), 2003: Teledetección y medio ambiente. Actas del seminario sobre aplicaciones ambientales de la teledetección aérea y satelital. Bolonia, 23 de noviembre de 2001. I Quaderni di Arpa, pp. 120.

Otros proyectos

Wikimedia Commons contiene imágenes u otros archivos sobre teledetección

Enlaces externos

( EN ) Trabajos sobre Teledetección , en Open Library , Internet Archive .

Teledetección Europa Spin Off del Politecnico di Milano , en treuropa.com .
Ariespace Spin Off Universidad de Nápoles , en ariespace.com .
AIT - Asociación Italiana de Teledetección , en aitonline.org .
Sensor hiperespectral EDU , en iperspettrale.com .
Centro de Geotecnología de la Universidad de Siena , en geotecnologie.unisi.it . Consultado el 4 de agosto de 2004 (archivado desde el original el 9 de septiembre de 2004) .
Instituto para la detección electromagnética del medio ambiente - CNR ,en irea.cnr.it.
Instituto para la detección electromagnética del medio ambiente - Sección CNR de Milán , en milano.irea.cnr.it . Consultado el 22 de abril de 2005 (archivado desde el original el 5 de marzo de 2013) .
Laboratorio de teledetección Arpa Emilia-Romagna ,en arpa.emr.it.
( ES ) La Tierra a vista de satélite. Introducción a la Teledetección , en concurso.cnice.mec.es .
EARSeL - Asociación Europea de Laboratorios de Teledetección , en earsel.org .