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En el mundo de los datos geoespaciales, la teledetección nos permite ver, medir y registrar fenómenos terrestres a distancia. Mediante diversas técnicas, los científicos pueden medirlo todo, desde la temperatura de la superficie del océano hasta la cantidad de agua contenida en las hojas de una planta, todo ello sin entrar nunca en contacto con lo que se está midiendo. ¿Cómo funciona y cómo está transformando nuestra forma de conocer la Tierra? Sigue leyendo para descubrirlo.
Definiciones de teledetección
El término "teledetección" fue acuñado en la década de 1950 por Evelyn Pruitt, geógrafa de la Oficina de Investigación Naval de EEUU. En aquella época, la tecnología evolucionaba rápidamente para registrar información sobre la Tierra a partir de sensores aéreos y por satélite. Hoy, con miles de satélites en órbita, la teledetección se ha convertido sin duda en una herramienta de investigación fundamental en muchas disciplinas.
La teledetección es el proceso de detectar y medir la energía electromagnética a distancia para obtener datos geoespaciales.
Fig. 1 - Imagen de satélite compuesta en falso color del volcán Nabro, en Eritrea. Con la teledetección, las mediciones de temperatura se pueden mostrar visualmente.
¿Cómo funciona la teledetección?
Quizá te preguntes: ¿qué es lo que se detecta a distancia? Sería la radiación electromagnética o REM.
Prepárate para un rápido repaso de física sobre el espectro de radiación electromagnética.
El sol emite EMR de onda corta en forma de fotones. Las longitudes de onda más cortas tienen frecuencias más altas y mayor energía, mientras que las longitudes de onda más largas tienen frecuencias más bajas y menor energía. La atmósfera de la Tierra absorbe parte de la energía solar entrante y la libera lentamente como EMR de onda larga.
Vemos esta energía como luz visible en la Tierra, y sentimos esta energía como calor en el aire, dependiendo de la longitud de onda de los fotones.
Fig. 2 - La teledetección detecta y registra la radiación electromagnética.
Toda la energía radiante entrante es absorbida, reflejada o transmitida a través de un objeto, dependiendo de su longitud de onda y del material del objeto. La teledetección funciona registrando los valores de EMR que llegan a un satélite o sensor aéreo tras ser emitidos o reflejados desde la Tierra.
Por ejemplo, la nieve en la cima de una montaña reflejará un porcentaje muy alto de la luz visible entrante (por eso aparece tan brillante y blanca). En cambio, una masa arbórea cercana en la montaña aparecerá más oscura y, por tanto, no reflejará tanta luz visible. Los satélites de teledetección pueden registrar estas diferencias en los valores de reflectancia, y pueden interpretarse para identificar tipos de cobertura terrestre desde lejos.
Una hoja verde parece verde a nuestros ojos porque refleja longitudes de onda de luz verde y absorbe longitudes de onda de luz azul y roja. El modo en que la vegetación refleja la energía luminosa será diferente del modo en que el suelo o una masa de agua reflejan la energía luminosa.
Las firmasespectrales se muestran trazando los valores de reflectancia EMR en el eje Y y los valores de longitud de onda en el eje X. Los gráficos de firmas espectrales ayudan a identificar diferentes objetos o superficies. Incluso pueden revelar diferencias entre la vegetación sana y la que no lo está, debido a la forma en que los pigmentos y el agua de las hojas reaccionan con la energía luminosa.
Fig. 3 - Las firmas espectrales de tres tipos de cubierta terrestre revelan diferentes patrones de reflectancia.
Técnicas de teledetección
La tecnología de teledetección es diversa e incluye varias técnicas adaptadas para obtener e interpretar las distintas firmas espectrales de los objetos. Sin embargo, todas las técnicas de teledetección se basan en tres componentes principales.
Los tres componentes de la teledetección
Objetivo: un objeto, superficie o área que se va a medir.
Energía electromagnética: puede ser una o varias partes del espectro electromagnético.
Sensor: dispositivo que detecta y registra información electromagnética.
Tipos de teledetección
Los dos tipos de teledetección se refieren a las diferencias en la forma en que los sensores obtienen los datos de la EMR.
La teledetecciónpasiva se basa en la energía de radiación electromagnética que refleja o emite un objeto. Esta energía estaría presente independientemente del sensor.
La teledetecciónactiva implica un dispositivo capaz de producir su propia energía de radiación electromagnética y dirigirla hacia un objeto. El sensor puede registrar la reflectancia o la retrodispersión de la energía.
Los sensores pasivos son útiles para captar imágenes de satélite de la superficie terrestre, especialmente en las porciones visible e infrarroja del espectro. Estos sensores están optimizados para detectar la energía de onda corta del sol cuando se refleja hacia fuera. Sin embargo, las longitudes de onda más cortas son más susceptibles a la dispersión atmosférica porque son lo bastante pequeñas como para chocar con partículas de gas. Ahí es donde entra en juego la teledetección activa.
Al emitir energía dirigida a un objeto, los sensores activos pueden detectar una firma espectral más clara con menos dispersión. Los radares meteorológicos se basan en la teledetección activa porque las longitudes de onda largas pueden atravesar los gases y las nubes de la atmósfera con menos dispersión que las longitudes de onda más cortas. La energía reflejada de retorno puede detectarse con menos "ruido" creado por la dispersión.
Basándote en lo que sabes sobre la dispersión atmosférica de las longitudes de onda más cortas frente a las más largas, ¿crees que la luz visible azul o roja se dispersa más? Pista: ¿de qué color es el cielo? 1
Registro y visualización de datos de teledetección
La energía que llega al sensor de un satélite se registra dentro de una cuadrícula. Puedes pensar en esta cuadrícula como en los píxeles de una imagen. Se asigna un valor a cada píxel de la cuadrícula, y este valor representa la intensidad de la energía que llega.
Muchos satélites utilizados para estudiar la Tierra pueden detectar una amplia gama de longitudes de onda. Los tipos de longitud de onda se agrupan en bandas, que permiten almacenar los datos de ERM en capas de cuadrícula separadas.
En teledetección, una banda representa una gama de longitudes de onda. La energía electromagnética radiante entrante se registra por separado para cada banda.
El espectro visible suele dividirse en tres bandas separadas: azul, verde y rojo. Otras bandas útiles habituales son el infrarrojo cercano y el infrarrojo medio.
Los humanos vemos la luz visible como una combinación de luz roja, verde y azul. Cuando asignamos a la banda azul que se represente visualmente el color azul, a la banda verde el color verde y a la banda roja el color rojo, obtenemos una imagen compuesta de color verdadero con la apariencia de los colores naturales.
Fig. 4 - Imagen compuesta en color verdadero de la bahía de San Francisco.
Si queremos distinguir mejor las zonas de vegetación de la bahía de San Francisco, podemos utilizar en su lugar la banda del infrarrojo cercano y representar sus valores con color rojo. Esto se denomina imagen compuesta de color falso. Observa cómo las zonas con vegetación destacan más en la segunda imagen.
Fig. 5 - Imagen compuesta en falso color del Área de la Bahía de San Francisco.
Hay muchas combinaciones posibles de bandas de teledetección en los compuestos de falso color. Los investigadores eligen las combinaciones de bandas en función de su capacidad para distinguir mejor los objetivos de interés.
Teledetección y SIG
La teledetección permite recoger y registrar datos de EMR, mientras que los sistemas de ciencia de la información geográfica (SIG) se utilizan para almacenar, visualizar e interpretar los datos.
Los sistemas SIG transforman cuadrículas de valores de reflectancia en representaciones visuales con píxeles. Estos datos ráster pueden manipularse después en software SIG para innumerables tipos de análisis.
Los datos ráster se componen de filas y columnas de datos almacenados en celdas o píxeles y son un formato de datos primario utilizado en el software SIG.
La cuadrícula de datos geográficos suministrada por los sensores remotos puede analizarse en su formato ráster o transformarse a otros formatos utilizados en los SIG para responder a preguntas espaciales.
Ejemplos de teledetección
Con el análisis espacial en SIG, la teledetección se ha convertido en una poderosa herramienta para conocer la Tierra. A continuación se presentan varios ejemplos de cómo se utiliza la teledetección en los SIG para responder a preguntas importantes.
Cuantificación de la deforestación con los satélites Landsat
El programa Landsat de la NASA comenzó con el lanzamiento del primer satélite Landsat en 1972. Los satélites Landsat disponen de sensores pasivos que detectan y almacenan ERM en diversas bandas.
Para comprender cómo ha progresado la deforestación en la selva amazónica, las imágenes Landsat a lo largo de los años pueden añadirse a un software SIG para su análisis espacial. Observa las diferencias entre la imagen de satélite de Rondônia, Brasil, a la izquierda, de 1975, y la imagen de la misma zona tomada en 2012.
Fig. 6 - Imágenes Landsat de Rondônia, Brasil, de 1975 y 2012. La izquierda muestra la densa cobertura forestal en 1975, y la derecha muestra los patrones de asentamiento y los signos de deforestación.
En este ejemplo, se utilizó el SIG para clasificar los tipos de cubierta terrestre y cuantificar su cambio de superficie a lo largo del tiempo. Los investigadores descubrieron que se han eliminado más de 70.000 km2 de bosque de Rondônia desde 1975.
Las zonas de suelo desnudo aparecen en rosa porque se trata de un compuesto de color falso. Se eligió esta combinación de bandas por su capacidad para distinguir claramente entre bosque y suelo desnudo.
Ruinas mayas descubiertas con LiDAR
La detección y el alcance de la luz o LiDAR es una forma de teledetección activa, y puede utilizarse para crear modelos 3D. Primero se emite un fuerte pulso de luz hacia un objetivo, y se registran la ubicación y la intensidad de la energía devuelta. Este tipo de teledetección se produce relativamente cerca de la superficie terrestre, normalmente con sensores instalados en aviones o drones.
El LiDAR puede captar detalles finos e incluso penetrar en el dosel de los bosques para revelar lo que se oculta bajo la densa vegetación, por lo que los investigadores han estado utilizando esta tecnología para buscar ruinas en todo el mundo.
Fig. 7 - Modelo topográfico en 3D de las ruinas de Aguada Félix descubierto con LiDAR.
Uno de estos descubrimientos con LiDAR reveló unas grandes ruinas mayas de un lugar ceremonial llamado Aguada Félix, en México2. Las ligeras variaciones topográficas de las ruinas no eran detectables por satélites orbitales lejanos.
Teledetección - Puntos clave
- La teledetección es el proceso de detectar y medir la energía electromagnética a distancia para obtener datos geoespaciales.
- La energía radiante entrante procedente del sol es absorbida, reflejada o transmitida a través de objetos o superficies de la Tierra, y la teledetección funciona registrando la radiación electromagnética reflejada en un patrón cuadriculado.
- Los dos tipos de teledetección son la activa y la pasiva.
- El software SIG se utiliza para visualizar los datos de teledetección en formato ráster como imágenes de satélite.
- Los datos de teledetección se utilizan habitualmente para analizar la cubierta terrestre, los procesos meteorológicos y atmosféricos, y muchos otros fenómenos de la Tierra.
Referencias
- SCIENTIFIC AMERICAN, una división de Springer Nature America, Inc., 2003. https://www.scientificamerican.com/article/why-is-the-sky-blue/
- Inomata, T., Triadan, D., Vázquez López, V.A. et al. La arquitectura monumental de Aguada Fénix y el auge de la civilización maya. Nature 582, 530-533 (2020). (https://doi.org/10.1038/s41586-020-2343-4)
- Figura 1: Imagen de satélite del volcán (https://www.flickr.com/photos/gsfc/5880575519/in/album-72157678715062653/) del Centro Goddard de Vuelos Espaciales de la NASA (www.flickr.com/photos/gsfc/) con licencia CC BY 2.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/2.0/)
- Figura 3: Gráfico de firmas espectrales (https://seos-project.eu/classification/classification-c01-p05.html) de Science Education through Earth Observation for High Schools (SEOS) con licencia CC BY-NC-SA 2.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/2.0/)
- Figura 7: Mapa LiDAR 3D de Aguada Félix (https://en.wikipedia.org/wiki/Aguada_F%C3%A9nix#/media/File:Aguada_F%C3%A9nix_1.jpg) por Alfonsobouchot (https://commons.wikimedia.org/wiki/User:Alfonsobouchot) bajo licencia CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/deed.en)
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