FUNDAMENTOS DE TELEDETECCIÓN

Introducción

La teledetección se define, de modo genérico, como cualquier procedimiento o técnica a partir de la cual se adquiere información sin tener un contacto directo con ella, es decir, se trata de una técnica que tiene como fin la captura, tratamiento y análisis de imágenes digitales, que se toman a través de satélites artificiales. Su evolución, desde los comienzos hasta la actualidad ha venido marcada por un avance constante en la calidad de los sensores utilizados, lo que garantiza una mejor resolución, logrando abordar así nuevos objetivos científicos. Un sistema de teledetección puede definirse como el conjunto de componentes, completamente imprescindibles, que nos permiten lograr una aproximación al conocimiento de esta técnica.

Tipos de teledetección

Los fundamentos físicos básicos de  la teledetección espacial son compartidos con otros sistemas de teledetección, como pueden ser la fotografía aérea o la televisión, puesto que todos ellos se basan en la medida de la radiación electromagnética que es emitida o reflejada por determinados objetos, como respuesta a una incidencia de radiación natural (luz solar) o artificial (radar). En el primer caso, puede hablarse de teledetección pasiva, mientras que el segundo recibe el nombre de teledetección activa. El comportamiento reflectivo de los diversos objetos es variable y está condicionado por factores externos, como son las condiciones ambientales y por factores internos, es decir, por las características fisico-químicas del momento en que se está tomando la imagen. Las fuentes de energía electromagnética utilizadas en teledetección son el sol, cualquier cuerpo con una temperatura superior al cero absoluto y los sistemas artificiales de teledetección que incluyen una fuente artificial, como su propio nombre indica. De todos ellos, el sol es la principal fuente de energía natural empleada en teledetección, puesto que emite energía de forma continua. Además, sus valores de longitud de onda se encuentran comprendidos entre los valores del espectro visible. Su fuerte radiación hace que sea recibida por otros cuerpos, los cuales, a su vez, la reflejan, absorben y transmiten.

Energía electromagnética

Respecto a los cuerpos con una temperatura superior al cero absoluto destacar que su composición espectral e intensidad es muy distinta a la emitida por el sol, puesto que estos factores están estrechamente relacionados con la temperatura. En el caso de las radiaciones emitidas por los objetos que se encuentran en la superficie terrestre y que son la segunda fuente de energía electromagnética natural, esta alcanza su máximo en longitudes de onda del infrarrojo térmico.

Teledetección espacial

La superficie de nuestro planeta, puede dividirse en tres grandes tipos de cubiertas, que son superficies con agua, superficies con vegetación y suelos. Cada una de ellas posee unas características distintivas y múltiples situaciones individuales distintas.

Energía electromagnética

La energía electromagnética es un tipo de energía que es transmitida por el espacio a través de ondas que tienen una cierta velocidad. Una onda electromagnética es el resultado de la propagación simultánea en el espacio de un campo eléctrico y otro magnético, variables, dada su forma de propagación. Los diferentes tipos se definen por su longitud de onda (h) o por la frecuencia (F). La longitud de onda hace referencia al carácter periódico de esta perturbación, siendo definida como la distancia entre dos picos contiguos de uno de los campos y, por tanto, se mire en unidades de longitud. La frecuencia está relacionada con el número de ciclos, que pasan por un punto fijo, por unidad de tiempo, lo cual se mide en hercios (Hz).

La longitud de onda y la frecuencia son las características que permiten hacer una clasificación entre los distintos tipos de energía electromagnética, cuyo conjunto recibe el nombre de espectro electromagnético, recibiendo cada uno de ellos una denominación particular como ultravioleta o infrarrojo. Puede establecerse que existe una relación inversamente proporcional entre la longitud de onda y la frecuencia, de manera que a una mayor frecuencia, menor longitud de onda y viceversa.

Espectro visible por el ojo humano

La energía electromagnética que recibe la superficie terrestre, sufre diferentes procesos. Una parte puede ser reflejada, mientras que el resto penetra en los elementos de la superficie terrestre a través de ondas refractadas, que a su vez pueden ser absorbidas o transmitidas, lo cual depende de la naturaleza de los objetos y de la longitud de onda de la energía. La energía que es absorbida, posteriormente es devuelta en forma de energía emitida por los objetos, aunque la emisión se produce en otras longitudes de onda, generalmente más largas, dependiendo de su temperatura. Por ello, puede establecerse que la energía incidente es la suma de la energía reflejada, la absorbida y la transmitida.

E incidente = E reflejada + E absorbida + E transmitida

Las proporciones de energía reflejada, absorbida y transmitida varía para cada objeto, lo que permite hacer una discriminación con los sistemas de teledetección. Además, para un mismo objeto, estas proporciones sufren variaciones con diferentes longitudes de onda, por lo que dos objetos pueden no ser distinguibles en una porción del espectro y perfectamente diferenciables en otra.

Reflexión y emisividad

Teniendo en cuenta que la mayor parte o prácticamente la totalidad de los sistemas de teledetección se basan en la energía reflejada o emitida por los objetos, es imprescindible conocer los conceptos de reflectividad o reflectancia, que hacen referencia al porcentaje de energía reflejada, en relación con la energía incidente. Dado que la reflexión depende de la naturaleza interna y el grado de rugosidad de la superficie, puede diferenciarse entre:

  • Reflexión especular: se da en superficies lisas y planas, es decir, donde las variaciones altimétricas de la rugosidad superficial del objeto sean menores que la longitud de onda. Este fenómeno puede resultar muy molesto en teledetección, ya que el ángulo de reflexión es igual al de incidencia y se puede dar una saturación del detector.
  • Reflexión difusa: se produce cuando las variaciones de la rugosidad superficial son mayores que la longitud de onda, de manera que la energía es reflejada más o menos uniformemente en todas las direcciones. Cuando una superficie refleja la energía de manera uniforme, independientemente del ángulo de incidencia, ésta recibe el nombre de “superficie Lambertiana”. En estos  casos, la reflectancia depende únicamente de la longitud de onda.

En la naturaleza, predomina una combinación de ambos tipos, lo que origina grandes diferencias, respecto a la reflectancia, entre los objetos, como consecuencia de la variabilidad de las texturas superficiales existentes y a la movilidad con la que el relieve modifica el ángulo de incidencia.

Asimismo, cada objeto de la superficie terrestre emite energía electromagnética con una intensidad que depende de la temperatura, lo que permite que pueda ser utilizada para su identificación. Esto nos lleva al concepto de emisividad, que corresponde a la proporción de energía emitida, respecto a la energía incidente, es decir, a la proporción entre la energía emitida por un objeto y la que emitirá un perfecto emisor (cuerpo negro) a su misma temperatura.

Todos estos conceptos nos conducen al término firma espectral, que es el conjunto de valores característicos y propios de cada objeto, captados para los diferentes campos del espectro de los que se obtiene información. Un mismo objeto puede variar su respuesta espectral en función de su estado y relación con el entorno.

Dispersión

Una parte de la transmisión de energía se produce a través de la atmósfera, que no se comporta como un cuerpo transparente, sino que impone una serie de modificaciones, cuyo conocimiento es imprescindible al usar cualquier tipo de sistema de teledetección. Los efectos pueden darse en la intensidad, frecuencia y distribución espectral de la radiación, impuestas por la dispersión y la absorción atmosféricas. Todas ellas dependen de la capa atmosférica que debe atravesar la radiación, antes de llegar al sensor, así como de su propia composición, del contenido en partículas en suspensión, así como de las longitudes de onda en las que opere el sensor. Se puede hacer una distinción entre tres tipos de dispersión:

  • Dispersión “Rayleigh”: producida por moléculas y partículas atmosféricas con un diámetro menor que la longitud de onda incidente. Afecta, fundamentalmente, a las longitudes de onda más cortas del espectro visible. Consecuencia de este fenómeno es el azul del cielo en los días despejados.
  • Dispersión “Mie”: se da cuando las partículas y moléculas que se encuentran presentes en la atmósfera poseen un diámetro de igual tamaño que la longitud de onda de la energía incidente. Afecta a longitudes de onda más largas que la dispersión Rayleigh.
  • Dispersión “no selectiva”: se presenta cuando las partículas y moléculas atmosféricas presentan un diámetro de mayor tamaño que la longitud de la onda de la radiación, motivo por el cual es independiente de la longitud de onda de la energía incidente. Un ejemplo de ello es el color blanco de las  nubes, donde los elementos y partículas que las forman reflejan, con igual intensidad, todas las longitudes de onda dentro del espectro visible.

La absorción atmosférica está relacionada con la retención de energía por los componentes de la atmósfera, destacando principalmente el vapor de agua, el dióxido de carbono, el oxígeno y el ozono. Este fenómeno es muy selectivo, puesto que se limita a determinadas longitudes de onda, dentro del espectro electromagnético.

Existen unas regiones, en las cuales la transmisión de energía se produce con facilidad, es decir, estos procesos anteriormente descritos, son débiles. Estas zonas reciben el nombre de ventanas espectrales y se centran especialmente en el ultravioleta, el visible y el infrarrojo reflejado y térmico, además de las longitudes de onda superiores a 1 mm., donde la transmisión atmosférica es total. Por este motivo, los sistemas de teledetección espacial se centran en estas regiones y en las longitudes de onda donde la emisión es mayor.

Sensores

Los instrumentos capaces de medir la radiación de forma electrónica, transformando su intensidad en un valor numérico se conocen con el nombre genérico de sensores. Se componen de instrumentos de toma o captación , con los que se delimita la zona observada; de detección, con los que se seleccionan las zonas de espectro cuya radiación interesa medir; y, por último, de almacenamiento de los datos en un soporte estable. Un sensor es un instrumento capaz de detectar la señal electromagnética que reflejan o emiten los objetos, para posteriormente convertirla en una magnitud física (medible), que puede ser tratada y registrada.

El posterior tratamiento y análisis de los datos obtenidos permite conseguir una imagen bidimensional (analógica) de la zona inspeccionada, cuya calidad espectral y espacial depende de las particularidades del sensor.

Mientras que en otros tipos de sistemas se relaciona exclusivamente la resolución con la precisión geométrica, en los sensores de teledetección puede llegar a hablarse de hasta cinco resoluciones distintas:

  • Resolución espacial: describe la capacidad del sistema para distinguir objetos en función de su tamaño, es decir, se interpreta como el tamaño del objeto más pequeño que se puede distinguir en una imagen (tamaño del píxel sobre el terreno). La resolución espacial tiene un papel clave, ya que condiciona la escala de trabajo y la fiabilidad de la interpretación.
  • Resolución radiométrica: capacidad del sensor para discriminar niveles o intensidades de radiación. La energía electromagnética recibida por el sensor, al convertirse a nivel digital, precisa un formato binario (número de bits) para codificarse.
  • Resolución espectral: hace referencia al número y anchura de las bandas espectrales que puede llegar a discriminar un sensor, es decir, a mayor número de bandas captadas, mayor resolución espectral. Además, es necesario que las bandas sean lo suficiente estrechas, de manera que al recoger la señal, las regiones sean acordes a las del espectro, puesto que de no ser así, puede haber un encubrimiento de diferenciación espectral entre cubiertas de interés.
  • Resolución temporal: mide el tiempo de paso del sensor sobre la vertical de un punto, lo cual permite determinar la periodicidad de adquisición de imágenes de una zona, utilizado fundamentalmente en satélites.
  • Resolución angular: capacidad de un sensor para tomar imágenes oblicuas. Propiedad que permite generación de imágenes estereoscópicas y por tanto la reconstrucción del relieve.

En la siguiente publicación dedicada a la agricultura de precisión descubriréis las aplicaciones posibles de la teledetección espacial, concretamente con drones, dentro de los ecosistemas agrícolas, campo en el que estamos especializados en Innovatione.

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