Introducción a la Percepción Remota

En esta página se presentan algunos conceptos relacionados con la percepción remota y de imágenes generadas específicamente por sensores orbitales, debido a que una de las mayores funciones del SPRING consiste en el tratamiento de dichas imágenes, a través de funciones de realce y clasificación.

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Procesamiento de Imágenes de Percepción Remota.



Origen y Evolución de la Percepción Remota

El origen de la percepción remota o teledetección está ligado a los experimentos de Newton (1822), quien constató que un rayo luminoso (luz blanca), al atravesar un prisma, se desdobla en un haz de colores - un espectro de colores.

Desde entonces los científicos fueron ampliando sus estudios al respecto de tan fascinante materia. Verificaron que la luz blanca era una síntesis de diferentes tipos de luz, una especie de vibración compuesta básicamente, de muchas vibraciones diferentes. Posteriormente, descubrieron que cada color descompuesto en el espectro correspondía a una temperatura diferente y que la luz roja incidiendo sobre un cuerpo, lo calentaba más que la luz violeta.

Además del rojo visible, existen radiaciones invisibles para los ojos, que pasan a ser ondas, rayos o inclusive radiaciones infrarrojas. Después, una experiencia de Titter reveló otro tipo de radiación: la ultravioleta. Siempre avanzando en sus experimentos, los científicos consiguieron probar que la onda de luz era una onda electromagnética, mostrando que la luz visible es sólo una de las diferentes especies de ondas electromagnéticas.

Algunos autores colocan el origen de la Percepción Remota ligado al desarrollo de sensores fotográficos, cuando las fotografías aéreas eran obtenidas desde globos.

Es evidente que la Percepción Remota es fruto de un esfuerzo multidisciplinario que envolvió y envuelve avances en la física, físico-química, química, biociencias y geociencias, en la computación, mecánica, etc...

La evolución de la teledetección está ligada a algunos de los principales eventos citados a continuación:


DEFINICIÓN
Una definición de percepción remota puede ser: "Es la utilización de sensores para la adquisición de informaciones sobre objetos o fenómenos sin que haya contacto directo entre el sensor y los objetos"

Sensores : son equipos capaces de colectar energía proveniente del objeto, convirtiéndola en una señal posible de ser registrada y presentándola en forma adecuada para la extracción de informaciones.

Energía: la mayoría de las veces se refiere a la energía electromagnética o radiación electromagnética.

Un concepto más específico puede ser: "Es el conjunto de las actividades relacionadas con la adquisición y el análisis de datos de sensores remotos", donde:

Sensores Remotos: son sistemas fotográficos u óptico-electrónicos capaces de detectar y registrar, en forma de imágenes o no, el flujo de energía radiante reflejado o emitido por objetos distantes.

Un flujo de radiación electromagnética al propagarse por el espacio puede interactuar con superficies u objetos, siendo reflejado, absorbido o emitido por dichas superficies u objetos. Las variaciones que estas interacciones producen en el flujo considerado, dependen fuertemente de las propiedades físico-químicas de los elementos en la superficie. Más adelante se discutirán con más detalles, las interacciones de la radiación con la materia.

Todo en la naturaleza está en constante vibración, emitiendo o modificando ondas electromagnéticas (energía) y presentando "perturbaciones" de los campos magnéticos y gravimétricos de la Tierra. Todos los instrumentos que captan y transforman esa energía pueden ser clasificados como sensores: radio, televisión, máquina fotográfica, por sólo citar algunos.

Durante la fase de adquisición de datos por los sensores, se pueden distinguir los siguientes elementos básicos: energía radiante, fuente de radiación, objeto (albo), trayectoria y sensor (sistema de imageamiento óptico y detector). La figura a seguir presenta estos elementos y ejemplifica los diferentes caminos que la radiación electromagnética puede tomar antes de ser captada por el sistema sensor.

Una cámara fotográfica con flash puede servir como ejemplo de un sistema sensor: "cuando el sistema de la cámara es activado, el flash es accionado y emite radiación. La radiación fluye para el albo y es reflejada de éste, para el sistema óptico de la cámara. Entonces la radiación reflejada es registrada sobre el plano de la película, que constituye un detector fotoquímico de radiación. Una imagen del patrón de radiación es formada en la película y después es desarrollada químicamente".


Trayectorias de la Radiación.

Siempre que se realiza un trabajo, algún tipo de energía debe ser transferida de un cuerpo para otro, o de un local para otro en el espacio. De todas las formas posibles de energía, existe una de especial importancia para la Percepción Remota: la energía radiante o energía electromagnética, la cual es la única que no necesita de un medio material para propagarse. El ejemplo de energía radiante más familiar y de mayor importancia es la energía solar, que se propaga por el espacio vacío desde el Sol hasta la Tierra.



Introducción a la Percepción Remota




Espectro Electromagnético

La radiación (ondas) electromagnética está constituida por diversas características físicas (intensidad, longitud de onda, frecuencia, energía, polarización, etc...). Independientemente de esas características, todas las ondas electromagnéticas son esencialmente idénticas, presentando independencia con relación a la existencia o no de un medio de propagación (propiedad importante de este proceso de transferencia de energía). Esta independencia es fácil de entender a través de la figura a continuación, el campo eléctrico y el campo magnético son perpendiculares entre sí y ambos oscilan perpendicularmente a la dirección de propagación de la onda, así el campo eléctrico genera un campo magnético y el campo magnético genera un campo eléctrico.

Donde: E = Campo eléctrico

M = Campo magnético



La velocidad de propagación de la onda electromagnética en el vacío corresponde a la velocidad de la luz (3 x 108 m/s). El número de ondas que pasa por un punto del espacio en un determinado tiempo, define la frecuencia (f) de la radiación. La frecuencia de onda es directamente proporcional a la velocidad de propagación de la radiación. Cuanto mayor es la velocidad de propagación de la onda, mayor es el número de ondas que pasarán por un punto en un tiempo dado (t) y mayor será su frecuencia. La velocidad de propagación (v) en un medio dado es constante.

La onda electromagnética también puede ser caracterizada por la longitud de onda (lambda) que puede expresarse por la ecuación:

La faja de longitud de onda o frecuencias en que se puede encontrar la radiación electromagnética es ilimitada. Con la tecnología disponible actualmente, se puede generar o detectar la radiación electromagnética en una extensa faja de frecuencia, que se extiende de 1 a 1024 Hz, o longitudes de onda en la faja de 108 metros a 0,01A.

Este espectro es subdividido en fajas, representando regiones que poseen características peculiares en términos de los procesos físicos, generadores de energía en cada faja, o de los mecanismos físicos de detección de esta energía. Dependiendo de la región del espectro, se trabaja con energía (electro-volts), longitudes de onda (micrómetro), o frecuencia (hertz). Por ejemplo: en la región de los rayos gama y cósmicos, se usa energía; en la región entre ultravioleta e infrarrojo, se usa longitud de onda; y en la región entre microondas y radio, se utiliza frecuencia. Las principales fajas del espectro electromagnético se describen a seguir y están representadas en la figura a continuación.


Espectro Electromagnético.

* La faja más utilizada en Percepción Remota está entre 0,3 um y 15,0 um, la cual se conoce como espectro óptico. En esta faja, los componentes ópticos de reflexión y refracción tales como lentes, espejos y prismas, son utilizados para colectar y reorientar la radiación.

Fuentes de radiación electromagnética

Las fuentes de radiación electromagnética (REM) pueden ser divididas en naturales (sol, tierra, radioactividad) y artificial (radar, láser, entre otras).

El sol es la fuente natural más importante, ya que al interactuar su energía con las diversas substancias de la superficie de la Tierra, origina una serie de fenómenos (reflexión, absorción, transmisión, luminiscencia, calentamiento, ...) investigados por la Percepción Remota.

Cualquier fuente de energía electromagnética es caracterizada por su espectro de emisión, el cual puede ser continuo o distribuido en fajas discretas. El sol, por ejemplo, emite radiación distribuida continuamente en una faja que va de los rayos X hasta la región de microondas, aunque concentrado en el intervalo de 0,35 um - 2,5 um.

Toda substancia con temperatura superior al cero absoluto (0o K ó -273o C) emite radiación electromagnética, como resultado de sus oscilaciones atómicas y moleculares. Esta radiación emitida puede incidir sobre la superficie de otra substancia pudiendo ser reflejada, absorbida o transmitida. En el caso de la absorción, la energía es generalmente reemitida, con diferentes longitudes de onda.

En la práctica, los cuatro procesos: emisión, absorción, reflexión y transmisión ocurren simultáneamente y sus intensidades relativas caracterizan la substancia que está siendo investigada. Dependiendo de las características físicas y químicas de la substancia, los cuatro procesos ocurren en diferentes regiones del espectro con intensidades distintas. Este comportamiento espectral de las diversas substancias es denominado firma espectral y es utilizado en Percepción Remota, para distinguir diversos materiales entre sí.

Efectos atmosféricos en la propagación de la Radiación Electromagnética

Cuando se colecta una información a través de un sensor remoto, sea a nivel de satélite o aeronave, la mayoría de las veces la señal colectada corresponde a la radiación proveniente del sol, que interactúa con la atmósfera hasta alcanzar el albo y retorna al sensor interactuando nuevamente con la atmósfera. Así la señal medida sea la radiación emitida por el albo, la señal siempre interactúa con la atmósfera hasta alcanzar el sensor.

Existen regiones del espectro electromagnético en las cuales la atmósfera es opaca, o sea, no permite el paso de la radiación electromagnética. Estas regiones definen las "bandas de absorción de la atmósfera". Las regiones del espectro electromagnético en las que la atmósfera es transparente a la radiación electromagnética proveniente del sol, son conocidas como "ventanas atmosféricas".

De esta manera, los siguientes factores interfieren en la Percepción Remota y siempre deben ser asociados con la atmósfera: absorción, efectos de masa de aire, dispersiones debido a moléculas gaseosas o partículas en suspensión, refracción, turbulencias, emisión de radiación por los constituyentes atmosféricos, entre otros.

Así, se puede concluir que la atenuación de la radiación es dada por:

Absorción:
la energía de un haz de radiación electromagnética es transformada en otras formas de energía. Es una atenuación selectiva observada en varios constituyentes, tales como vapor de agua, ozono y monóxido de carbono. En muchos casos, la absorción puede ser despreciada por ser muy pequeña.

Dispersión:
la energía de un haz de radiación electromagnética es removida por cambios de dirección. Al interactuar con la atmósfera, por el proceso de dispersión, generará un campo de luz difusa, que se propagará en todas las direcciones.

Introducción a la Percepción Remota



Sistemas Sensores

Como ya fue mencionado, todos los materiales y fenómenos naturales absorben, transmiten, reflejan y emiten selectivamente radiación electromagnética. Con el desarrollo actual es posible medir con una precisión razonable y a distancia, las propiedades espectrales de aquellos materiales y fenómenos.

Cualqueir sistema sensor presenta los siguientes componentes necesarios para captar la radiación electromagnética (ver la figura siguiente).


Componentes del Sistema.


Tipos de Sensores

Los sensores pueden ser clasificados en función de la fuente de energía o en función del tipo de producto que produce.

En función de la fuente de energía:

En función del tipo de producto:

Los imageadores no fotográficos (sistema de imageamiento de barrido) se originaron para cubrir la laguna dejada por los problemas inherentes al uso del más difundido sensor óptico, la cámara fotográfica. Esta, a pesar de presentar condiciones más fáciles de operación y costos, tiene una limitación en captar la respuesta espectral, debido a que las películas cubren solamente el espectro del ultravioleta próximo al infrarrojo lejano. También este tipo de sensor limita las horas de sobrevuelo, ya que debido a fenómenos atmosféricos no es posible observar frecuentemente el suelo, a grandes altitudes.

Como los datos de estos sensores no fotográficos son colectados en forma de señal eléctrica, estos datos podrán ser fácilmente transmitidos para estaciones distantes, donde un procesamiento electrónico hará el análisis discriminatorio.

La tabla siguiente presenta un análisis comparativo de los sensores fotográficos e imageadores de barrido.

Imageamiento por sensores fotográficos.
Imageamiento por sensores de barrido.
Resolución geométrica
alta *
media
Resolución espectral
media
alta *
Frecuencia
baja
alta *
Visión sinóptica
baja
alta *
Base de datos
analógica
digital *
* mayor ventaja sobre la otra