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Sensores remotos

Imagen de radar de apertura sintética del Valle de la Muerte coloreada mediante polarimetría

La teledetección es la adquisición de información sobre un objeto o fenómeno sin hacer contacto físico con el objeto, a diferencia de la observación in situ o in situ . El término se aplica especialmente a la adquisición de información sobre la Tierra y otros planetas . La teledetección se utiliza en numerosos campos, incluidos la geofísica , la geografía , la agrimensura y la mayoría de las disciplinas de las ciencias de la Tierra (por ejemplo, geofísica de exploración , hidrología , ecología , meteorología , oceanografía , glaciología , geología ). También tiene aplicaciones militares, de inteligencia, comerciales, económicas, de planificación y humanitarias, entre otras.

En su uso actual, el término teledetección generalmente se refiere al uso de tecnologías de sensores basados ​​en satélites o aviones para detectar y clasificar objetos en la Tierra. Incluye la superficie y la atmósfera y los océanos , basándose en señales propagadas (por ejemplo, radiación electromagnética ). Se puede dividir en teledetección "activa" (cuando un satélite o avión emite una señal al objeto y su reflejo es detectado por el sensor) y teledetección "pasiva" (cuando el sensor detecta el reflejo de la luz solar). ). [1] [2] [3] [4]

Descripción general

Este vídeo trata sobre cómo se utilizó Landsat para identificar áreas de conservación en la República Democrática del Congo y cómo se utilizó para ayudar a mapear un área llamada MLW en el norte.

La teledetección se puede dividir en dos tipos de métodos: teledetección pasiva y teledetección activa. Los sensores pasivos recogen la radiación emitida o reflejada por el objeto o las áreas circundantes. La luz solar reflejada es la fuente más común de radiación medida por sensores pasivos. Ejemplos de sensores remotos pasivos incluyen fotografía cinematográfica , infrarrojos , dispositivos de carga acoplada y radiómetros . La recolección activa, por otro lado, emite energía para escanear objetos y áreas, tras lo cual un sensor detecta y mide la radiación que se refleja o retrodispersa desde el objetivo. RADAR y LiDAR son ejemplos de teledetección activa donde se mide el tiempo de retardo entre la emisión y el retorno, estableciendo la ubicación, velocidad y dirección de un objeto.

Ilustración de la teledetección

La teledetección permite recopilar datos de zonas peligrosas o inaccesibles. Las aplicaciones de teledetección incluyen el monitoreo de la deforestación en áreas como la cuenca del Amazonas , las características glaciares en las regiones árticas y antárticas y los sondeos profundos de las profundidades costeras y oceánicas. La recopilación militar durante la Guerra Fría utilizó la recopilación de datos sobre zonas fronterizas peligrosas. La teledetección también reemplaza la costosa y lenta recolección de datos sobre el terreno, asegurando en el proceso que áreas u objetos no sean perturbados.

Las plataformas orbitales recopilan y transmiten datos de diferentes partes del espectro electromagnético , que, junto con sensores y análisis aéreos o terrestres a mayor escala, proporcionan a los investigadores suficiente información para monitorear tendencias como El Niño y otros fenómenos naturales a largo y corto plazo. Otros usos incluyen diferentes áreas de las ciencias de la tierra , como la gestión de recursos naturales , campos agrícolas como el uso y la conservación de la tierra, [5] [6] monitoreo de gases de efecto invernadero , [7] detección y monitoreo de derrames de petróleo, [8] y seguridad nacional y Recogida aérea, terrestre y aislada en zonas fronterizas. [9]

Tipos de técnicas de adquisición de datos

La base para la recopilación y el análisis multiespectrales son las áreas examinadas u objetos que reflejan o emiten radiación que se destacan de las áreas circundantes. Para obtener un resumen de los principales sistemas satelitales de detección remota, consulte la tabla general.

Aplicaciones de la teledetección

Imagen de radar de la presa de Asuán, Egipto, tomada por Umbra
Ejemplos de equipos de teledetección desplegados por buques de investigación
oceanográfica o conectados con ellos . [11]

geodésico

Acústica y casi acústica

Para coordinar una serie de observaciones a gran escala, la mayoría de los sistemas de detección dependen de lo siguiente: la ubicación de la plataforma y la orientación del sensor. Los instrumentos de alta gama ahora suelen utilizar información posicional de los sistemas de navegación por satélite . La rotación y la orientación a menudo se proporcionan dentro de uno o dos grados con brújulas electrónicas. Las brújulas pueden medir no sólo el acimut (es decir, grados con respecto al norte magnético), sino también la altitud (grados sobre el horizonte), ya que el campo magnético se curva hacia la Tierra en diferentes ángulos en diferentes latitudes. Las orientaciones más exactas requieren orientación asistida por giroscopio , realineada periódicamente mediante diferentes métodos, incluida la navegación desde estrellas o puntos de referencia conocidos.

Características de los datos

La calidad de los datos de teledetección consiste en sus resoluciones espacial, espectral, radiométrica y temporal.

Resolucion espacial
El tamaño de un píxel que se registra en una imagen rasterizada ; por lo general, los píxeles pueden corresponder a áreas cuadradas con una longitud de lado de 1 a 1000 metros (3,3 a 3280,8 pies).
Resolución espectral
La longitud de onda de las diferentes bandas de frecuencia registradas; normalmente, esto está relacionado con el número de bandas de frecuencia registradas por la plataforma. La colección actual de Landsat es la de siete bandas, incluidas varias en el espectro infrarrojo , que van desde una resolución espectral de 0,7 a 2,1 μm. El sensor Hyperion en Earth Observing-1 resuelve 220 bandas de 0,4 a 2,5 μm, con una resolución espectral de 0,10 a 0,11 μm por banda.
Resolución radiométrica
El número de intensidades diferentes de radiación que el sensor puede distinguir. Normalmente, esto oscila entre 8 y 14 bits, correspondientes a 256 niveles de la escala de grises y hasta 16.384 intensidades o "tonos" de color, en cada banda. También depende del ruido del instrumento .
Resolución temporal
La frecuencia de los sobrevuelos del satélite o avión, y sólo es relevante en estudios de series de tiempo o aquellos que requieren una imagen promediada o en mosaico como en el monitoreo de la deforestación. Esto fue utilizado por primera vez por la comunidad de inteligencia cuando la cobertura repetida reveló cambios en la infraestructura, el despliegue de unidades o la modificación/introducción de equipos. La nubosidad sobre una determinada zona u objeto hace necesario repetir la recogida de dicha ubicación.

Procesamiento de datos

Para crear mapas basados ​​en sensores, la mayoría de los sistemas de detección remota esperan extrapolar los datos de los sensores en relación con un punto de referencia, incluidas las distancias entre puntos conocidos en el terreno. Esto depende del tipo de sensor utilizado. Por ejemplo, en las fotografías convencionales, las distancias son precisas en el centro de la imagen, aumentando la distorsión de las medidas cuanto más nos alejamos del centro. Otro factor es que la platina contra la que se presiona la película puede provocar graves errores cuando se utilizan fotografías para medir distancias terrestres. El paso en el que se resuelve este problema se llama georreferenciación e implica la coincidencia de puntos en la imagen asistida por computadora (generalmente 30 o más puntos por imagen) que se extrapola con el uso de un punto de referencia establecido, "deformando" la imagen para producir imágenes precisas. datos espaciales. A principios de la década de 1990, la mayoría de las imágenes de satélite se venden totalmente georreferenciadas.

Además, es posible que sea necesario corregir las imágenes radiométrica y atmosféricamente.

Corrección radiométrica
Permite evitar errores y distorsiones radiométricas. La iluminación de los objetos en la superficie de la Tierra es desigual debido a las diferentes propiedades del relieve. Este factor se tiene en cuenta en el método de corrección de la distorsión radiométrica. [27] La ​​corrección radiométrica proporciona una escala a los valores de píxeles; por ejemplo, la escala monocromática de 0 a 255 se convertirá en valores de radiancia reales.
Corrección topográfica (también llamada corrección del terreno)
En montañas escarpadas, debido al terreno, la iluminación efectiva de los píxeles varía considerablemente. En una imagen de teledetección, el píxel de la pendiente sombreada recibe una iluminación débil y tiene un valor de radiancia bajo; por el contrario, el píxel de la pendiente soleada recibe una iluminación intensa y tiene un valor de radiancia alto. Para el mismo objeto, el valor de radiancia de los píxeles en la pendiente sombreada será diferente del de la pendiente soleada. Además, diferentes objetos pueden tener valores de radiancia similares. Estas ambigüedades afectaron gravemente la precisión de la extracción de información de imágenes de teledetección en zonas montañosas. Esto se convirtió en el principal obstáculo para una mayor aplicación de las imágenes de teledetección. El objetivo de la corrección topográfica es eliminar este efecto, recuperando la verdadera reflectividad o radiancia de los objetos en condiciones horizontales. Es la premisa de la aplicación de la teledetección cuantitativa .
Corrección atmosférica
Eliminación de la neblina atmosférica reescalando cada banda de frecuencia para que su valor mínimo (generalmente realizado en cuerpos de agua) corresponda a un valor de píxel de 0. La digitalización de datos también permite manipular los datos cambiando los valores de la escala de grises.

La interpretación es el proceso crítico para dar sentido a los datos. La primera aplicación fue la de recolección de fotografías aéreas la cual utilizó el siguiente proceso; medición espacial mediante el uso de una mesa de luz tanto en cobertura simple convencional como estereográfica, habilidades agregadas como el uso de fotogrametría, el uso de fotomosaicos, cobertura repetida, uso de dimensiones conocidas de los objetos para detectar modificaciones. Image Analysis es una aplicación automatizada asistida por computadora desarrollada recientemente y que se utiliza cada vez más.

El análisis de imágenes basado en objetos (OBIA) es una subdisciplina de la ciencia GIS dedicada a dividir imágenes de sensores remotos (RS) en imágenes-objetos significativas y a evaluar sus características a través de escalas espaciales, espectrales y temporales.

Los datos antiguos obtenidos mediante sensores remotos suelen ser valiosos porque pueden proporcionar los únicos datos a largo plazo para una gran extensión de la geografía. Al mismo tiempo, los datos suelen ser complejos de interpretar y voluminosos de almacenar. Los sistemas modernos tienden a almacenar los datos digitalmente, a menudo con compresión sin pérdidas . La dificultad de este enfoque es que los datos son frágiles, el formato puede ser arcaico y los datos pueden ser fáciles de falsificar. Uno de los mejores sistemas para archivar series de datos es la ultraficha legible por máquina generada por computadora , generalmente en fuentes tipográficas como OCR-B , o como imágenes digitalizadas de medios tonos. Las ultrafiches sobreviven bien en las bibliotecas estándar, con una vida útil de varios siglos. Pueden ser creados, copiados, archivados y recuperados mediante sistemas automatizados. Son tan compactos como los medios magnéticos de archivo y, sin embargo, pueden ser leídos por seres humanos con un equipo mínimo y estandarizado.

En términos generales, la teledetección funciona según el principio del problema inverso : si bien el objeto o fenómeno de interés (el estado ) puede no medirse directamente, existe alguna otra variable que puede detectarse y medirse (la observación ) que puede estar relacionada. al objeto de interés mediante un cálculo. La analogía común dada para describir esto es tratar de determinar el tipo de animal a partir de sus huellas. Por ejemplo, si bien es imposible medir directamente las temperaturas en la atmósfera superior, es posible medir las emisiones espectrales de una especie química conocida (como el dióxido de carbono) en esa región. La frecuencia de las emisiones puede entonces relacionarse mediante termodinámica con la temperatura en esa región.

Niveles de procesamiento de datos

Para facilitar la discusión sobre el procesamiento de datos en la práctica, la NASA definió por primera vez en 1986 varios "niveles" de procesamiento como parte de su Sistema de Observación de la Tierra [28] y los adoptó constantemente desde entonces, tanto internamente en la NASA (por ejemplo, [29] ) como en otros lugares (por ejemplo, [30] ); estas definiciones son:

Un registro de datos de Nivel 1 es el registro de datos más fundamental (es decir, el nivel reversible más alto) que tiene una utilidad científica significativa y es la base sobre la cual se producen todos los conjuntos de datos posteriores. El nivel 2 es el primer nivel que se puede utilizar directamente para la mayoría de las aplicaciones científicas; su valor es mucho mayor que el de los niveles inferiores. Los conjuntos de datos de nivel 2 tienden a ser menos voluminosos que los datos de nivel 1 porque se han reducido temporal, espacial o espectralmente. Los conjuntos de datos de nivel 3 son generalmente más pequeños que los conjuntos de datos de nivel inferior y, por lo tanto, pueden manejarse sin incurrir en una gran sobrecarga de manejo de datos. Estos datos tienden a ser generalmente más útiles para muchas aplicaciones. La organización espacial y temporal regular de los conjuntos de datos de Nivel 3 hace posible combinar fácilmente datos de diferentes fuentes.

Si bien estos niveles de procesamiento son particularmente adecuados para procesos típicos de procesamiento de datos satelitales, se han definido otros vocabularios de niveles de datos que pueden ser apropiados para flujos de trabajo más heterogéneos.

Historia

El avión de reconocimiento/vigilancia TR-1
La Mars Odyssey de 2001 utilizó espectrómetros e imágenes para buscar evidencia de agua y actividad volcánica pasadas o presentes en Marte.

La disciplina moderna de la teledetección surgió con el desarrollo del vuelo. El aeronáutico G. Tournachon (alias Nadar ) tomó fotografías de París desde su globo en 1858. [31] Para las primeras imágenes también se utilizaron palomas mensajeras, cometas, cohetes y globos no tripulados. Con la excepción de los globos, estas primeras imágenes individuales no fueron particularmente útiles para la elaboración de mapas o para fines científicos.

La fotografía aérea sistemática se desarrolló con fines de vigilancia y reconocimiento militar a partir de la Primera Guerra Mundial . [32] Después de la Primera Guerra Mundial, la tecnología de detección remota se adaptó rápidamente a aplicaciones civiles. [33] Esto lo demuestra la primera línea de un libro de texto de 1941 titulado "Aerofotografía y Aerosurverying", que decía lo siguiente:

"Ya no hay necesidad de predicar sobre la fotografía aérea -no en los Estados Unidos- porque su uso se ha extendido tanto y su valor es tan grande que incluso el granjero que planta sus campos en un rincón remoto del país conoce su valor. "

-James  Bagley, [33]

El desarrollo de la tecnología de teledetección alcanzó su clímax durante la Guerra Fría con el uso de aviones de combate modificados como el P-51 , P-38 , RB-66 y el F-4C , o plataformas de recolección diseñadas específicamente como el U2/ TR-1 , SR-71 , A-5 y la serie OV-1 tanto en colección aérea como en stand-off. [34] Un desarrollo más reciente es el de módulos de sensores cada vez más pequeños, como los utilizados por las fuerzas del orden y el ejército, tanto en plataformas tripuladas como no tripuladas. La ventaja de este enfoque es que requiere modificaciones mínimas en un fuselaje determinado. Las tecnologías de imágenes posteriores incluirían radares infrarrojos, convencionales, Doppler y de apertura sintética. [35]

El desarrollo de satélites artificiales en la segunda mitad del siglo XX permitió que la teledetección progresara a escala global a partir del final de la Guerra Fría. [36] La instrumentación a bordo de varios satélites meteorológicos y de observación de la Tierra, como Landsat , Nimbus y misiones más recientes como RADARSAT y UARS , proporcionaron mediciones globales de diversos datos para fines civiles, de investigación y militares. Las sondas espaciales a otros planetas también han brindado la oportunidad de realizar estudios de teledetección en ambientes extraterrestres, el radar de apertura sintética a bordo de la nave espacial Magallanes proporcionó mapas topográficos detallados de Venus , mientras que los instrumentos a bordo del SOHO permitieron realizar estudios sobre el Sol y el viento solar . sólo por nombrar algunos ejemplos. [37] [38]

Los desarrollos recientes incluyen, a partir de las décadas de 1960 y 1970, el desarrollo del procesamiento de imágenes de satélite . El uso del término "detección remota" comenzó a principios de la década de 1960, cuando Evelyn Pruitt se dio cuenta de que los avances científicos significaban que la fotografía aérea ya no era un término adecuado para describir los flujos de datos generados por las nuevas tecnologías. [39] [40] Con la ayuda de su compañero de personal de la Oficina de Investigación Naval, Walter Bailey, acuñó el término "detección remota". [41] [42] Varios grupos de investigación en Silicon Valley , incluido el Centro de Investigación Ames de la NASA , GTE y ESL Inc., desarrollaron técnicas de transformada de Fourier que condujeron a la primera mejora notable de los datos de imágenes. En 1999 se lanzó el primer satélite comercial (IKONOS) que recopilaba imágenes de muy alta resolución. [43]

Entrenamiento y educación

La teledetección tiene una importancia creciente en la sociedad de la información moderna. Representa una tecnología clave como parte de la industria aeroespacial y tiene una relevancia económica cada vez mayor: constantemente se desarrollan nuevos sensores, como TerraSAR-X y RapidEye , y la demanda de mano de obra calificada aumenta constantemente. Además, la teledetección influye enormemente en la vida cotidiana, desde previsiones meteorológicas hasta informes sobre el cambio climático o desastres naturales . A modo de ejemplo, el 80% de los estudiantes alemanes utilizan los servicios de Google Earth ; Sólo en 2006, el software se descargó 100 millones de veces. Pero los estudios han demostrado que sólo una fracción de ellos sabe más sobre los datos con los que trabajan. [44] Existe una enorme brecha de conocimiento entre la aplicación y la comprensión de las imágenes de satélite. La teledetección sólo juega un papel tangencial en las escuelas, independientemente de las pretensiones políticas de fortalecer el apoyo a la enseñanza sobre el tema. [45] Gran parte del software desarrollado explícitamente para las lecciones escolares aún no se ha implementado debido a su complejidad. De este modo, la asignatura no está en absoluto integrada en el plan de estudios o no pasa la etapa de interpretación de imágenes analógicas. De hecho, el tema de la teledetección requiere una consolidación de la física y las matemáticas, así como competencias en los campos de los medios y métodos además de la mera interpretación visual de las imágenes de satélite.

Muchos profesores tienen gran interés en la materia "teledetección", motivándose a integrar este tema en la enseñanza, siempre que se tenga en cuenta el plan de estudios. En muchos casos, este estímulo fracasa debido a la información confusa. [46] Para integrar la teledetección de manera sostenible, organizaciones como EGU o Digital Earth [47] fomentan el desarrollo de módulos y portales de aprendizaje . Los ejemplos incluyen: FIS – Teledetección en lecciones escolares , [48] Geospektiv , [49] Ychange , [50] o Spatial Discovery, [51] para promover calificaciones de medios y métodos, así como el aprendizaje independiente.

Software

Los datos de teledetección se procesan y analizan con software informático, conocido como aplicación de teledetección . Existe una gran cantidad de aplicaciones patentadas y de código abierto para procesar datos de teledetección.

Teledetección con rayos gamma

Existen aplicaciones de los rayos gamma a la exploración minera mediante teledetección. En 1972 se gastaron más de dos millones de dólares en aplicaciones de teledetección con rayos gamma a la exploración minera. Los rayos gamma se utilizan para buscar depósitos de uranio. Al observar la radiactividad del potasio, se pueden localizar depósitos de pórfido de cobre. Se ha descubierto que una alta proporción de uranio a torio está relacionada con la presencia de depósitos hidrotermales de cobre. También se sabe que se producen patrones de radiación sobre campos de petróleo y gas, pero se pensaba que algunos de estos patrones se debían a los suelos superficiales en lugar de al petróleo y al gas. [52]

Satélites

Seis satélites de observación de la Tierra que componen la constelación de satélites del tren A en 2014.

Un satélite de observación de la Tierra o satélite de teledetección de la Tierra es un satélite utilizado o diseñado para la observación de la Tierra (EO) desde órbita , incluidos los satélites espía y similares destinados a usos no militares como vigilancia ambiental , meteorología , cartografía y otros. El tipo más común son los satélites de imágenes de la Tierra, que toman imágenes de satélite , análogas a las fotografías aéreas ; Algunos satélites EO pueden realizar sensores remotos sin formar imágenes, como en la ocultación de radio GNSS .

La primera aparición de teledetección por satélite se remonta al lanzamiento del primer satélite artificial, el Sputnik 1 , por parte de la Unión Soviética el 4 de octubre de 1957. [53] El Sputnik 1 envió señales de radio, que los científicos utilizaron para estudiar la ionosfera . [54] La Agencia de Misiles Balísticos del Ejército de los Estados Unidos lanzó el primer satélite estadounidense, el Explorer 1 , para el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA el 31 de enero de 1958. La información enviada desde su detector de radiación condujo al descubrimiento de los cinturones de radiación de Van Allen de la Tierra . [55] La nave espacial TIROS-1 , lanzada el 1 de abril de 1960, como parte del programa del Satélite de Observación Infrarroja por Televisión (TIROS) de la NASA, envió las primeras imágenes de televisión de patrones climáticos tomadas desde el espacio. [53]

En 2008, más de 150 satélites de observación de la Tierra estaban en órbita, registrando datos con sensores tanto pasivos como activos y adquiriendo más de 10 terabits de datos diariamente. [53] Para 2021, ese total había aumentado a más de 950, siendo el mayor número de satélites operados por la empresa estadounidense Planet Labs . [56]

La mayoría de los satélites de observación de la Tierra llevan instrumentos que deberían funcionar a una altitud relativamente baja. La mayoría orbita a altitudes superiores a 500 a 600 kilómetros (310 a 370 millas). Las órbitas más bajas tienen una importante resistencia aérea , lo que hace necesarias frecuentes maniobras de reactivación de la órbita . Los satélites de observación de la Tierra ERS-1, ERS-2 y Envisat de la Agencia Espacial Europea , así como la nave espacial MetOp de EUMETSAT , funcionan a altitudes de unos 800 km (500 millas). Las naves espaciales Proba-1 , Proba-2 y SMOS de la Agencia Espacial Europea están observando la Tierra desde una altitud de unos 700 km (430 millas). Los satélites de observación de la Tierra de los Emiratos Árabes Unidos, DubaiSat-1 y DubaiSat-2 , también están ubicados en órbitas terrestres bajas (LEO) y proporcionan imágenes satelitales de varias partes de la Tierra. [57] [58]

Para obtener cobertura global con una órbita baja, se utiliza una órbita polar . Una órbita baja tendrá un período orbital de aproximadamente 100 minutos y la Tierra girará alrededor de su eje polar unos 25° entre órbitas sucesivas. La trayectoria terrestre se mueve hacia el oeste 25° en cada órbita, lo que permite escanear una sección diferente del globo en cada órbita. La mayoría se encuentran en órbitas sincrónicas con el Sol .

Una órbita geoestacionaria , a 36.000 km (22.000 millas), permite que un satélite se cierne sobre un punto constante de la Tierra, ya que el período orbital a esta altitud es de 24 horas. Esto permite una cobertura ininterrumpida de más de 1/3 de la Tierra por satélite, por lo que tres satélites, espaciados 120°, pueden cubrir toda la Tierra. Este tipo de órbita se utiliza principalmente para satélites meteorológicos .

Ver también

Referencias

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Otras lecturas

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