Introduccin a los SensoresRemotos - Aplicaciones en GeologaCurso terico prctico

U B A 2007

------------------------------------------------Dr. DANIEL J. PREZJefe Trabajos Prcticos (UBA)Laboratorio de Tectnica AndinaDpto. Cs. Geolgicas, F.C.E.N., U.B.A.,Ciudad Universitaria, Pabelln 2,C1428EGA, Buenos Aires, Argentina.(54-11) 4576-3300 al 09 (Int: 316)(54-11) 4576-3329daniel@gl.fcen.uba.arhttp://aviris.gl.fcen.uba.ar/~daniel/

Programa

1. INTRODUCCINDefinicin de Sensores Remotos. Fuentes de los datos. Antecedentes histricos. Desarrollo actual. Componentes deun sistema de Sensores Remotos. Principales aplicaciones.

2. ENERGIA Y PRINCIPIOS DE RADIACIN.Radiacin Electromagntica (REM). Espectro Electromagntico (EEM). El Color. Colores aditivos y sustractivos.La Atmsfera.- Interacciones de la radiacin y la atmsfera. Propiedades de las ondas electromagnticas. Reflexin.Absorcin. Transmisin. Dispersin. Dispersiones Rayleigh, Mie y No Selectiva.- Interaccin de la Energa con la superficie de la Tierra. Firma o signatura espectral. Energa reflejada.Reflexin especular. Reflexin difusa (Lambertian).- Interaccin de la Energa con los materiales. Signatura o firma espectral. Visible, infrarrojo cercano, medio ytermal). Interaccin de la radiacin electromagntica con la Vegetacin, el Suelo, el Agua, las rocas yminerales.

3. SISTEMAS DE SENSORES Y METODOS DE PERCEPCIN REMOTA.Sensores activos y pasivos. Sensores de barredura y de no-barredura. Sesnsores fotogrficos (no-generan imgenes ygeneradores de imgenes) y no-fotogrficos. Radimetros no generadores de imgenes. Radimetros generadores deimgenes.

4. ADQUISICIN DE DATOS Y ESTRUCTURA DE LA IMAGEN.Estructura de una imagen. Carcter digital. Sistema de coordenadas, lneas rows y columnas samples. Pxelpicture element. Nmero Digital DN digital number. Principales Formatos de las imgenes digitales: BSQ, BIL,BIP. Resolucin de una imagen. Resolucin espacial, espectral, radiomtrica y temporal.

5. SATLITES y SENSORES.Satlites: de rbita baja, cientficos, geoestacionarios de telecomunicaciones y meteorolgicos, EOS AM. Sensores:CERES, MOPTI, MISR, MODIS, ASTER. Satlite LANDSAT, sensores MSS, TM, ETM. Satlite Noaa, Goes,Spot. Ikonos. RADARSAT. JERS-1. ERS. SAC.

6. TRATAMIENTO DIGITAL DE LAS IMGENES.- Histograma de una imagen. Unidimensional y multidimensional. Contraste de una imagen. Transferencia decontraste. Aumento linear de contraste. Color.- Tonalidad. Textura. Contexto.- Proceso digital del color. Blanco y negro, color y falso color.- Filtros. Paso alto y paso bajo. Filtros de borde. Suavizado. Refuerzo de bordes

7. EXTRACCIN DE INFORMACIN.- Cocientes de bandas.- Clasificacin multiespectral. Supervisada. No supervisada. Mtodos Mixtos.

8. CORRECCIONES DE IMGENES.- Correcciones radiomtricas- Correcciones geomtricas- Correcciones atmosfricas

9. APLICACIONES.Exploracin de hidrocarburos . Uso del suelo. Estudios agronmicosEstudios ambientales. Estudio de la hidrosfera. Prospeccin minera. Evaluacin de daos ocasionados porfenmenos naturales.

10. BIBLIOGRAFA

11. PROGRAMAS especficos para procesar datos de imgenes.- ERMapper.- Envi.- Erdas.

12. Evaluacin Final. Desarrollo de un proyecto.

Introduccin a los Sensores Remotos, Aplicaciones en Geologa - Daniel J. Prez, 2007 - U.B.A. 11. INTRODUCCIN

Definicin

Sensores Remotos o Teledeteccin es la ciencia y el arte de obtener informacin de unobjeto, rea o fenmeno, a travs del anlisis de datos adquiridos mediante un dispositivo, el cualno est en contacto directo con el objeto, rea o fenmeno que se est investigando (Lillesand yKiefer, 1994). La obtencin de los datos involucra el uso de instrumentos llamados sensores,capaces de ver o captar las relaciones espectrales y espaciales de objetos y materialesobservables a una considerable distancia de aquellos.Un ejemplo de percepcin sensorial humana a distancia es el proceso de lectura de unlibro o la visin de la pantalla del monitor de una computadora. Son actividades que desarrolla elsensor remoto de la vista. Los ojos actuan como sensores en respuesta a la cantidad de luzreflejada de la pantalla de un computador o de las letras de un libro; obteniendo los datoscorrespondientes. Esos datos (letras, lneas, etc.) son enviados al cerebro para ser analizados einterpretados y posibilitar una explicacin.Hay muchas aplicaciones en las que los sensores puede usarse para generar lainformacin detallada ya sea sobre materiales y/o objetos en la superficie de la Tierra. Algunasde ellas son, geologa, minera, petrleo, gas, oceanografa, agricultura, medioambiente,monitoreo de desastres como plumas volcnicas, urbanismo, reas de deforestacin e incendioscomo en Amazonas, etc. (Figura 1).

Figura 1: Aplicaciones de Sensores Remotos.

Fuentes de los datos

Los dispositivos de los sensores remotos pueden detectar varios tipos de energa, como laradiacin electromagntica, gravedad, magnetismo, geofsica y ondas de radio. Pero por logeneral, la fuente de energa ms comn que la mayora de los dispositivos o sensores remotosutilizan, para registrar los datos de la superficie terrestre, es a partir de las distribuciones deenerga dentro del Espectro Electromagntico(EEM). Estos sensores adquieren datos a partirde la emisin y reflexin de la Radiacin Electromagntica(REM), debido a los atributos dela superficie terrestre.

Introduccin a los Sensores Remotos, Aplicaciones en Geologa - Daniel J. Prez, 2007 - U.B.A. 2La fuente de energa generadora de datos puede ser natural (el Sol) o artificial (generadapor el propio sensor). Los sensores activos, como el radar, generan la radiacin directa hacia unobjeto, registrando de esa forma los datos. Estos sistemas de sensores llamados activos, operanen los espectros de microonda y ondas de radio dentro del Espectro Electromagntico (EEM).Los sensores pasivo, registran la radiacin del sol. Dentro del EEM, captan el visible, elinfrarrojo cercano, infrarrojo medio, y las longitudes de onda del infrarrojo termal. Algunossensores de microonda son pasivos. La fotografa area y los satlites Landsat satlite son losejemplos de sensores pasivo.Los datos que registran los sensores pueden grabarse en fotogrfico o digital (numrico).Los datos deben estar en formato digital para procesarlos en computadora, por lo que cualquierdato grabado fotogrficamente, necesita ser convertido a formato digital (numrico).Los sensores remotos capaces de obtener datos a partir de la energa electromagntica,son instrumentos que pueden ser colocados en plataformas orbitales, llamados satlites o, seraerotransportados, aviones. Estas caractersticas van a determinar la resolucin (espacial yespectral) produciendo una amplia variedad en los datos, para ser utilizados desde la confeccinde un mapa, cuantificar o monitorear los diferentes recursos de la Tierra, hasta determinar laqumica de los materiales. Los procesos y elementos que actan en los sensores remotos electromagnticos son laadquisicin de datos y el anlisis de los datos. La adquisicin de los datos involucra: a) fuentede energa, b) propagacin de energa a travs de la atmsfera, c) interaccin de la energa con lasuperficie terrestre, d) retransmisin de energa por la atmsfera, e) sensores orbitales y/oaerotransportados, f) generacin de datos digitales y/o analgicos. En esta etapa se registran lasvariaciones en las caractersticas de la superficie de la Tierra reflejadas y la energaelectromagntica emitida. El anlisis de datos consiste en: a) examen e interpretacin de losdatos digitales y/o analgicos, b) referencia de los datos sobre los recursos estudiados, mapa desuelos, afloramientos, chequeo de los datos de campo, c) compilacin de toda la informacin enforma de mapas, informes, SIG, etc., d) producto final a presentar a los usuarios (Figura 2).La adquisicin y anlisis de los datos, permite realizar un procesamiento digital de lasimgenes, mediante diferentes tcnicas usadas para identificar, extraer, condensar y realzar lainformacin de inters segn el trabajo o investigacin que se est realizando, partiendo de unacantidad de datos que usualmente componen las imgenes.

Adquisicin de DatosDatos deReferenciaAnalgicoVisualDigital DigitalA) Fuente deEnerga D) Retransmicina travs de UsuariosB) Propagacin la Atmsferaa travs dela AtmsferaE) Sistema de Sensor Produccin Interpretacin Informacinde Datos y Anlisis de los DatosC) Rasgos de lasuperficie terrestre

Figura 2: Sensores Remotos Electromagnticos de Recursos Terrestres

Introduccin a los Sensores Remotos, Aplicaciones en Geologa - Daniel J. Prez, 2007 - U.B.A. 32. ENERGIA Y PRINCIPIOS DE RADIACIN

Radiacin Electromagntica (REM)

La clave para comprender los sistemas de sensores remotos, la utilizacin y procesos desus productos, es entender el camino en que la radiacin electromagntica (REM) es generada,propagada y modificada. En la naturaleza la luz visible es una de las muchas formas de radiacin electromagntica(REM). Las ondas de radio, las microondas, luz visible, rayos ultravioletas y rayos-x, sondiferentes formas ondas electromagnticas. Son energa pura en forma de campos de fuerzaselctricos y magnticos unidos y que se transmiten en longitudes de onda diferentes.La radiacin electromagntica es transportada por una onda en un campoelectromagntico o como un flujo de partculas, llamados fotones, y que no tiene masa. Losfotones con la energa ms alta corresponden a las longitudes de onda ms cortas. Aunquecualquiera es una descripcin aceptable de radiacin electromagntica, para nuestros propsitosen la introduccin de sensores remotos la descripcin de la onda ser ms til.Todas estas formas de energa son intrnsecamente similares y se irradian de acuerdo conla teora bsica de ondas, la cual describe la propagacin de la energa electromagntica enforma armnica y sinusoidal a la velocidad de la luz c. La distancia de un mximo de la onda alsiguiente es la longitud de onda y el nmero de picos que pasan por un punto fijo en el espaciopor unidad de tiempo es la frecuencia (Figura 3).De acuerdo a la fsica bsica, las ondas cumplen con la siguiente ecuacin (1):c, c/(1)8Donde c es la velocidad de la luz con un valor constante (3x10 m/seg), es la frecuenciade la luz en herzios (Hz) o ciclos por segundo, y (lambda) es la longitud de onda de la luz enmetros.

Figura 3: Componentes del REM: una onda electromagntica sinusoidal (E) y una onda similarmagntica (M) en ngulos rectos, ambos son perpendicular a la direccin de propagacin.

Aunque muchas caractersticas de la radiacin electromagntica se explican por la teorade la onda, tambin esta la Teora Cuntica (o teora de las partculas) que puede ayudar aexplicar y comprender como la radiacin electromagntica interacta con la materia.La Teora Cuntica parte del principio, en el cual la REM est compuesta por variasunidades o partculas denominadas photones o quanta (Max Planck).La frecuencia o longitud de onda de la REM es funcin de la energa del fotn; y estrelacionada por la ecuacin de Max Planck (2):

Introduccin a los Sensores Remotos, Aplicaciones en Geologa - Daniel J. Prez, 2007 - U.B.A. 4Q hv = hc/(2)

Donde Q es energa de un quantum, Joules (J); h es la constante de Planck (6,626 10-34 Jsec) ; v la frecuencia.Esta ecuacin indica que la energa de un fotn es directamente proporcional a sufrecuencia e inversamente proporcional a su longitud de onda. Es decir, a mayor longitud deonda de una partcula, menor es su energa. Esto indica que cualquier energa naturalmenteemitida con amplios (emisin de microondas) ser ms difcil de ser detectada que lasradiaciones de estrechos (e.g Infrarrojo Termal). Los sensores que toman datos de radiacionesde amplias longitudes de onda, necesitan tomar una radiacin de objetivos largos o durante unperodo de tiempo mucho mayor.Las ondas ms cortas son rayos gamma que tienen longitudes de onda de 10e-6 micras omenos. Las ondas ms largas son de radio que tienen longitudes de onda de muchos kilmetros.El rango del visible consiste en la porcin estrecha del espectro, de 0.4 micrones (azul) a 0.7micrones (rojo).Esta relacin indica que la longitud de onda de la luz, es inversamente proporcional a lafrecuencia. Un aumento en la frecuencia produce una disminucin proporcional en la longitud deonda de luz con un aumento correspondiente en la energa de los fotones que constituyen la luz.Al entrar en un nuevo medio (como vidrio o agua), la velocidad y longitud de onda de luz estnreducidas, aunque la frecuencia permanece inalterada.

Espectro Electromagntico (EEM)

El espectro electromagntico (EEM) es la distribucin de radiacin electromagnticasegn la energa. Las regiones del Espectro Electromagntico se definen segn, longitud deonda, frecuencia y energa. Por ejemplo el sol, la tierra, y otros cuerpos irradian energaelectromagntica de varias longitudes de onda. La energa electromagntica atraviesa el espacioa la velocidad de la luz en la forma de ondas del sinusoidal.En sensores remotos es muy comn caracterizar las ondas electromagnticas en funcinde su posicin, dentro del espectro electromagntico (EEM). La unidad ms usada para medir las-6longitudes de onda a lo largo del espectro electromagntico es el micrn (1m = 10 m). Elrango de longitudes de ondas del espectro electromagntico se extiende desde la radiacincsmica hasta las ondas de radio (Figura 4).

0.4 Azul 0.5 Verde 0.6 Rojo 0.7Ultravioleta InfrarrojoEspectroLongitud de Onda (m) Visible Longitud de Onda (m)1mm 1m-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 2 3 4 5 6 7 810 10 10 10 10 10 10 1 10 10 10 10 10 10 10 10Rayos-Rayos-X Microondas TV / RdioUltravioleta Infrarrojo Infrarrojo Termal (>3m;