Proyecto: GCP/RLA/126/JPN, FAO Información sobre Tierras Agrícolas y Aguas para un Desarrollo Agrícola Sostenible BASES TEÓRICAS

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1 Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación Proyecto: GCP/RLA/126/JPN, FAO Información sobre Tierras Agrícolas y Aguas para un Desarrollo Agrícola Sostenible Sistema para el Seguimiento y Análisis de Tierras mediante Teledetección BASES TEÓRICAS Roberto Castro R. Pontificia Universidad Católica de Chile Facultad de Agronomía e Ingeniería Forestal Robcastro@entelchile.net Noviembre de 1999

2 Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación Proyecto: GCP/RLA/126/JPN, FAO Información sobre Tierras Agrícolas y Aguas para un Desarrollo Agrícola Sostenible Akihide Enoki Enrique Castillo Horacio Merlet Sistema para el Seguimiento y Análisis de Tierras mediante Teledetección BASES TEÓRICAS Roberto Castro R. Pontificia Universidad Católica de Chile Facultad de Agronomía e Ingeniería Forestal Robcastro@entelchile.net Noviembre de

3 ÍNDICE Pag. INTRODUCCIÓN 4 1. PRINCIPIOS DE TELEDETECCIÓN OBTENCIÓN DE IMÁGENES PRINCIPIOS FÍSICOS DE TELEDETECCIÓN Radiación Electromagnética Principio y propiedades Espectro electromagnético Regiones del espectro según uso en teledetección FUENTES DE ENERGÍA Y CUERPOS NATURALES ATMÓSFERA E INTERACCIÓN DE LA ENERGÍA Absorción Dispersión Emisión y refracción ESPECTRO ÓPTICO REFLECTIVO Reflectividad espectral de los cuerpos Transmisión Absorción RESPUESTA ESPECTRAL REFLECTIVA DE ELEMENTOS 19 NATURALES Reflectividad de la vegetación Absorción de los pigmentos Estructura fisiológica Efecto del ángulo de elevación solar y del sensor Contenidos de agua Efecto del suelo Efecto de la senescencia y enfermedades Efecto de la geometría de la cobertura Efecto de la fenología Factores externos Reflectividad de los suelos Contenido de humedad Textura Estructura Composición del suelo Reflectividad del sistema Suelo - Vegetación Reflectividad de los cuerpos de agua Reflectividad del hielo, nieve y nubes Reflectividad de los materiales construidos por el hombre. 33 1

4 1.7 RESPUESTA DE LOS RECURSOS TERRESTRES EN EL 33 RANGO DE LAS MICRO-ONDAS (RADAR DE IMÁGENES) Resolución espacial Angulo de depresión Topografía y rugosidad del terreno Propiedades físicas del terreno TIPOS DE SISTEMAS DE TELEDETECCIÒN RESOLUCIÓN Y RECONOCIMIENTO Resolución espacial Resolución espectral Resolución radiométrica Resolución temporal SEGUIMIENTO DE COBERTURAS VEGETACIONALES LA IMAGEN DIGITAL CORRECCIÓN GEOMÉTRICA ANÁLISIS VISUAL DE LAS IMÁGENES Tono Color Textura Contexto espacial TÉCNICAS DE TELEDETECCIÓN PARA EL ESTUDIO DEL 52 SUELO Y COBERTURAS VEGETALES Clasificación de imágenes Operaciones entre bandas Análisis de componentes principales (ACP) Índices vegetacionales Indice de vegetación de diferencia normalizada (NDVI) Índice de verdor visual (IVV) Indices espectrales del suelo Indice de brillo Indice de rojo MÉTODOS PARA SEGUIMIENTO DE COBERTURAS 63 VEGETALES (MULTIESTACIONALES Y MULTIANUALES) Comparación de cartografía temática Cambios con datos contínuos Análisis de regresión Análisis de vectores Composiciones digitales multitemporales Resta entre imágenes Resta normalizada Análisis de componentes principales Análisis de series multitemporales Desviación de una imagen respecto del promedio histórico Índice de verdor relativo (IVR) 72 2

5 Análisis de componentes principales en series temporales Indicaciones generales 75 BIBLIOGRAFÍA 76 GLOSARIO 79 3

6 SISTEMA DE INFORMACIÓN SOBRE TIERRAS Y AGUA PARA UN DESARROLLO SOSTENIBLE SEGUIMIENTO DE DEGRADACIÓN DE TIERRAS MEDIANTE TELEDETECCIÓN BASES TEÓRICAS INTRODUCCIÓN La palabra teledetección deriva de la traducción dada por los franceses en 1967 al término inglés "remote sensing". No existe una definición única, sin embargo en la medida que esta disciplina ha ido madurando la definición se ha vuelto más robusta. Una aproximación a una definición más moderna es la siguiente: Teledetección es un conjunto de técnicas y conocimientos que forman parte de las ciencias espaciales, que se caracterizan por permitir el estudio de los recursos terrestres, a partir de datos registrados por sensores que se encuentran en plataformas terrestres, aéreas o satelitales, alejadas del propio objeto en estudio, mediante un método científico. La teledetección así definida se realiza considerando los siguientes elementos: una fuente de energía; un sistema sensor que capta la energía que interactúa con la superficie terrestre, la codifica, graba y envía a los sistemas de recepción; la cubierta terrestre, integrada por suelos, agua y vegetación; el sistema de recepción e interpretación de la información recibida de la plataforma de observación; un sistema intérprete para facilitar su estudio y evaluación. Por último, el usuario que analiza el conjunto de datos mediante un método que le permite transformar los datos en información, según los objetivos e hipótesis formuladas (Castro, 1997; Mather, 1987). La teledetección incluye la utilización de diversas fuentes de datos (figura 1), las que a su vez se integran en la tecnología de Información Geográfica (SIG), lo que permite organizar, integrar y analizar grandes cantidades de datos provenientes de distintas fuentes y modelarlos con fines prácticos. 4

7 Figura 1. Ciclo de teledetección. Hoy en día es difícil concebir la utilización sistemática de los datos de teledetección sin la integración de sus resultados en un SIG. Esta forma de concebir la teledetección conlleva a entender que cada necesidad del usuario, expresada en objetivos claros, se puede satisfacer con medios adecuados, que a su vez determinan el tiempo de ejecución del proyecto y los niveles de precisión que se alcanzarán. Lo anterior se puede optimizar si se utilizan las fuentes de datos en forma sistémica, constituyendo metodologías que integren los datos puntuales de terreno con los de nivel regional o superiores (método multinivel). 1. PRINCIPIOS DE TELEDETECCIÓN La base física de la teledetección se encuentra en la capacidad de los sensores, para medir las respuestas espectrales de los objetos, sus variaciones espaciales y temporales. El estudio de los recursos territoriales y la medición de los campos energéticos de los cuerpos se centra en el empleo de longitudes de ondas electromagnéticas, que son codificadas en datos digitales y dispuestos en arreglos matriciales, basadas en una celda de tamaño conocido, como unidad de registro. 5

8 1.1 OBTENCIÓN DE IMÁGENES El primer elemento en el proceso de obtención de imágenes es contar con una fuente de energía que emita radiación electromagnética (sol), esta energía se transmite a través de un medio (atmósfera), a una determinada velocidad (de la luz), luego llega al objeto, el cual responde de acuerdo a sus características externas e internas, reflejando, absorbiendo o transmitiendo la energía incidente y, posteriormente vuelve a través del mismo medio de propagación, para incidir sobre el sensor, quien captura la radiancia y la transforma en formato digital (figura 1.1). Figura 1.1 Componentes del Sistema de Teledetección Las características del sensor definen el tipo de datos a obtener. En el caso de una cámara fotográfica la energía será registrada en la emulsión de la película, creándose un registro análogo. En el caso de sensores multiespectrales electro-ópticos el registro será digital. Este procedimiento sencillo configura la fase de la "adquisición de datos", luego se realiza la interpretación de las imágenes, mediante un análisis visual o por un proceso de clasificación digital o combinando ambos métodos. 1.2 PRINCIPIOS FÍSICOS DE TELEDETECCIÓN La base física de la teledetección y las fotografías se encuentra en la capacidad de los sensores, para medir las respuestas espectrales de los objetos, sus variaciones espaciales y temporales. El estudio de los recursos territoriales y la medición de los campos energéticos 6

9 de los cuerpos se centra en el empleo de longitudes de ondas electromagnéticas, que son codificadas en datos digitales y dispuestos en arreglos matriciales, basadas en una celda de tamaño conocido, como unidad de registro. La técnica de adquirir información de un objeto a distancia se apoya en la capacidad que tienen los materiales para reflejar o emitir energía. Las leyes que controlan la distribución de la energía son: la ley de Planck, que proporciona los valores de energía para un determinado cuerpo; la ley de Wien que establece una relación entre la longitud de onda que emite el cuerpo y la temperatura y, la ecuación de Steffan Boltzmann que proporciona los valores de espectro-emitancia radiante en watt/cm 2 /micrón Radiación Electromagnética. La radiación electromagnética se encuentra constituida por un flujo de longitudes de onda compuestas por dos vectores, uno magnético y otro eléctrico, perpendiculares entre sí, que se desplazan a una velocidad dada y con una determinada frecuencia, formando un campo de energía continuo, que para efectos de su comprensión se define entre las longitudes de onda Gamma y las longitudes de radio y TV Principio y propiedades. La energía electromagnética (EE) que se propaga a través del espacio, proveniente del sol, lo hace en forma de interacción entre campos eléctricos y magnéticos. Los primeros modelos que explican las propiedades de la EE fueron la teoría corpuscular de Newton y la teoría ondulatoria de Maxwell. Hoy en día se acepta ambas y se define la EE como toda la energía que se desplaza por el espacio a la velocidad constante de la luz y en forma armónica, es decir, en ondas repetitivas e igualmente espaciadas en el tiempo, de esta forma se considera también la teoría ondulatoria moderna de Maxwell y la teoría de los cuantos de energía. La teoría ondulatoria de Maxwell se refiere a la propagación y efectos ópticos de la EE., mientras que la teoría cuántica trata los aspectos de absorción y emisión de las moléculas de la radiación. Maxwell establece que la relación entre la velocidad de propagación de la radiación, su frecuencia y longitud de onda, cuando lo hace en el vacío, esta dada por: c = λ * f donde : c = Velocidad de propagación de la luz ( 3x10 8 m/seg). λ = Longitud de onda. 7

10 f = Frecuencia. La longitud de onda (λ), corresponde a la distancia lineal entre dos ondas sucesivas y se mide en unidades métricas. La frecuencia, corresponde al número de ondas que se propagan por unidad de tiempo, se mide en ciclos (número de ondas) por segundo (cps). Cuando la EE se propaga a través de un medio material la velocidad de propagación dependerá de las propiedades del material y del tamaño de la longitud de onda. La teoría cuántica viene a explicar interacciones con la materia. Se ha demostrado que la generación de ondas electromagnéticas ocurre en pequeños paquetes o series de ondas. Cada paquete transporta energía radiante (Q) proporcional a la frecuencia (f). De esta forma, todo objeto cuya temperatura sea mayor a 0 grados Kelvin emite EE y refleja en rangos de longitud de onda específica. Las ondas electromagnéticas se caracterizan por tener: Intensidad, Frecuencia o longitud de onda y Polarización. En cuanto a intensidad, la energía transmitida por la onda es proporcional al cuadrado del campo eléctrico (E 2 ) o del campo magnético (H 2 ) en forma equivalente, dado que son independientes. La intensidad se expresa en Watt/cm 2. La frecuencia se mide en ciclos por segundo (cps), cuya unidad es el Herz. Un Mega Hertz (MHz) es igual a 10 6 cps. La longitud de onda se mide, en el sistema métrico, en unidades como Angstrom, micrón o micrómetro, nanómetro o milimicra, cm, metros, etc. En forma equivalente tenemos: 1 Å = m. = 10-8 cm. = 10-4 µm. = 10-1 nm. 1 µm = 10 4 Å = 10 3 nm. = 10 4 cm Espectro electromagnético. De acuerdo a las propiedades físicas de la radiación, el espectro electromagnético es un arreglo continuo de radiaciones, ordenado según longitud de onda o frecuencia. En términos de longitud se ha demostrado que se extiende desde angstroms hasta kilómetros. La frecuencia fluctúa de 10 4 longitudes de onda menores. a 10 20, correspondiendo a frecuencia altas, 8

11 No existe forma de detectar todo el espectro, por lo cual se divide en regiones espectrales, siendo la subdivisión arbitraria, basada solamente en los medios disponibles para generar y detectar la energía. Los límites tampoco son fijos y se encuentran variaciones según los diversos autores. A continuación se presenta el espectro en un gráfico (Figura ) según la American Society of Photogrametry (1975). Figura Espectro Electromagnético. Las diferentes regiones que se señalan en el espectro tienen distintas propiedades. - Rayos Cósmicos y Gama. Tienen una longitud de onda menor a 0,03 nm, la radiación proveniente del sol es totalmente absorbida por la atmósfera y no es utilizable en teledetección. - Rayos X. Longitud de onda de 0,03 a 3 nm. Radiación que es absorbida completamente por los gases de la atmósfera, por lo que no es posible emplearla en teledetección. Se han construido emisores de rayos X para penetrar en los tejidos humanos. - Ultravioleta (U.V). Desde 3 µm a 4 µm. La radiación menor a 3 µm es absorbida por el ozono. En teledetección se utiliza la región comprendida entre 0,3 a 0,4 µm, llamada ultravioleta fotográfico, es detectable con película y fotodetectores especiales. 9

12 - Visible. Desde 0,4 a 0,7 µm. Rango de operación de la fotografía convencional. - Infrarrojo (I.R.) Rayo espectral desde 0,7 a 14 µm. La interacción con la materia varía según la longitud de onda. Las principales subregiones son: a) Infrarrojo reflejado: Desde 0,7 a 3 µm. Esta subregión se divide a su vez en infrarrojo cercano desde 0,7 a 1,3 µm e infrarrojo medio de 1,3 a 3,0 µm. Los sistemas fotográficos operan hasta 0,9 µm como límite máximo. Es energía reflejada y no entrega información sobre las propiedades térmicas de los materiales a las temperaturas normales de la superficie terrestre. b) Infrarrojo termal (llamado también lejano): Desde 3,0 a 14 µm., pero utilizable en dos ventanas, la primera de 3 a 5 y la segunda de 8 a 14 micrómetros. Las imágenes en esta región son obtenidas con barredores termales, sensores ópticomecánico, pero no con películas. - Micro-ondas: Región de 0,3 a 300 cm. La ventaja de estas longitudes reside en que pueden penetrar nubes, niebla y lluvias poco intensas. Se captan a través del radar y son entregadas como imágenes. Los sistemas comerciales trabajan en la actualidad con banda K (0,8 a 2,4 cm), banda X (2,4 a 3,75 cm) y banda L (15 a 30 cm). Las longitudes de onda superiores a las micro-ondas son utilizadas en transmisiones de radio, pero no son utilizadas en teledetección Regiones del espectro según uso en teledetección. : La regiones del espectro, de acuerdo a los sensores usados y al tipo de radiación son a) Región óptica reflectiva: comprende las longitudes de onda que dependen de la energía solar, desde el violeta al infrarrojo medio (0,2 a 2,3 µm.). b) Región emisiva o termal: se encuentra entre 8 a 14 µm. y corresponde a la zona donde se manifiesta con mayor intensidad la emisión de los cuerpos de la tierra que se caracterizan por una temperatura absoluta de alrededor a 300 K. c) Región de radiación reflejada en microondas: comprende las longitudes entre 0,1 cm a 1 m., en la cual funcionan los radares. Las regiones del espectro, clasificadas de acuerdo a su utilización en teledetección (Tabla 1.1) difieren de las definidas en el punto anterior ( ). 10

13 Tabla 1.1 Resumen de las regiones utilizables en teledetección Región Banda Longitud de onda Ultravioleta Visible Infrarrojo Micro-onda (Mo) U.V. Intermedio U.V. Cercano (fotográfico) Violeta Indigo Azul Verde Amarillo Naranja Rojo Cercano Medio Termal (lejano) 0,280 a 0,315 µm. 0,315 a 0,380 µm. 0,380 a 0,446 µm. 0,446 a 0,464 µm. 0,464 a 0,500 µm. 0,500 a 0,578 µm. 0,578 a 0,592 µm. 0,592 a 0,620 µm. 0,620 a 0,700 µm. 0,7 a 1,3 µm. 1,3 a 3,0 µm. 3,0 a 14,0 µm. 0,3 a 300 cm. Las diferencias con la clasificación del punto anterior se centra en las regiones siguientes: Región Fotográfica: De 0,3 a 0,9 µm, y corresponde al rango de sensibilidad de las películas fotográficas actualmente en uso. Se localiza en la ventana atmosférica comprendida entre 0,3 y 1,35 µm. Es el rango que se utiliza en fotografía multiespectral. Región reflectiva (0,3 a 3,0 µm): Corresponde al rango donde los sensores captan la energía reflejada por los cuerpos naturales, incluye infrarrojo cercano y medio. Región emisiva (3,0 a 14,0 µm): Los sensores captan la radiación emitida por los cuerpos en función de su temperatura; a temperaturas normales los cuerpos de la superficie emiten longitudes de ondas largas, por lo que sólo operan en esta región sensores térmicos. Se denomina también infrarrojo emisivo o termal. Región óptica (0,3 a 15,0 µm): Comprende el rango de aplicación de los sistemas ópticos como lentes, prismas, espejos, de los barredores multiespectrales, siendo estos últimos los sensores de mayor amplitud de resolución espectral. 11

14 1.3 FUENTES DE ENERGÍA Y CUERPOS NATURALES. Las fuentes de energía que se utilizan en teledetección son de dos tipos: fuentes naturales como el sol y fuentes construidas con fines específicos como es el caso del radar. Para explicarnos las propiedades de la energía producida por las fuentes naturales, se recurre frecuentemente al concepto teórico del cuerpo negro. Un cuerpo negro se encuentra en equilibrio térmico con el medio que lo rodea, absorbe toda la energía que recibe y vuelve a emitirla en forma integra (emisión máxima). Todo cuerpo emite radiaciones en función de su temperatura y transforma en calor la energía que absorbe. La intensidad y la distribución espectral de la radiación emitida depende de la temperatura del cuerpo y de su naturaleza (Figura 1.3) Figura 1.3 Curvas de radiancia de un cuerpo negro a distintas temperaturas La energía solar al llegar a la tierra en parte es reflejada, transmitida y absorbida por los distintos objetos y luego emitida, de acuerdo a las características físico-químicas de él y según las leyes que controlan la energía solar y que son las siguientes: 12

15 (1) Ley de Plank : Proporciona el valor de radiancia de los cuerpos de acuerdo a : donde: λr = C1 * E * λ - 5 * [ e (C2 /(T λ))-1 ] λr = Radiancia. E = Emisividad. λ = Longitud de onda. C1 y C2 = Constante de Plank. T = Temperatura absoluta (ºK). e = Base logarítmica. (2) Ley de Wien : Relaciona la longitud de onda y la temperatura absoluta de un cuerpo. donde: λmáx = C/T C = 2,898 T = Temperatura absoluta (ºK) λmáx = Longitud de onda donde la relación es máxima. (3) Ley de Stephan Boltzmann : Proporciona el valor de la emisividad radiante (W). donde: W = E * σ * T 4 σ = Constante de Boltzmann. E = Emisividad. T = Temperatura absoluta (ºK). W = Energía total emitida por unidad de superficie. Estas tres leyes explican el componente y el origen de las firmas espectrales que cada objeto produce una vez que la energía solar incide sobre él. La energía incidente, sin embargo, varía por otros factores como: hora del día, época del año, latitud, condiciones meteorológica, difracción y absorción atmosférica, factores que afectan la respuesta espectral final de los objetos. La energía que llega al objeto es la que se conoce como energía incidente y cuyo análisis se trata en los siguientes puntos. 13

16 1.4 ATMÓSFERA E INTERACCIÓN DE LA ENERGÍA El estudio de la atmósfera es importante ya que influye en el paso de energía solar en dos etapas (fuente-objeto y objeto-sensor). El fenómeno de la interferencia atmosférica presenta limitaciones y ventajas para captar la energía reflejada o emitida. La interferencia es selectiva para cada longitud de onda y se debe a fenómenos de: absorción, difusión o dispersión, emisión, refracción y reflexión Absorción La absorción de la radiación electromagnética (R.E.M.) en la atmósfera se debe a las partículas de oxígeno (O2) y ozono (O3), agua, gas carbónico (CO2), oxígeno atómico (O), monóxido de carbono (CO), N2, NO, N2O, CH4, etc., que indica la irradiación espectral para la luz solar directa, antes y después de su paso por la atmósfera. Los coeficientes de absorción según las longitudes de onda varían en función de la altura y composición de la atmósfera. La región del ultravioleta es absorbida por O2, N2, O3, es decir, gran proporción de longitudes de onda inferiores a 0,3 µm. En el rango visible, el ozono (O3) produce absorción de λ de 0,6 µm y el oxígeno monocular (O) absorbe entre 0,69 y 0,76 µm. Del rango del infrarrojo, el vapor de agua absorbe parte de longitudes 0,7-0,8-0,9-1,1-1,4-1,9-2,7-3,2-6,3 y 14 µm. El gas carbónico, 1, ,7-4,3 y 15 µm. El oxígeno, 12,7 µm. En longitudes de onda mayor, el vapor de agua absorbe entre 1,63 a 13,5 mm, el ozono en 27 mm. y el oxígeno: 2,5 mm. Figura Absorción espectral de la atmósfera según longitud de onda 14

17 La atmósfera absorbe gran parte de las radiaciones para las diferentes longitudes, como se presenta en la figura 1.4.1, pero es posible encontrar algunas bandas donde pasa un gran porcentaje de energía y es lo que se conoce como ventanas atmosféricas y que dan origen a las zonas del espectro donde se pueden emplear las técnicas de percepción remota, según se ilustra en el Tabla 1.2. Tabla 1.2 Ventanas atmosféricas Banda (micrómetro) 0,3-1,35 1,5-1,8 2,0-2,4 2,9-4,2 4,5-5,5 8, mm Nombre U.V. Visible - I.R. I.R. I.R. I.R. I.R. I.R. Microonda y radio Sensor Fotográfico y barredor Óptico mecánico Barredor óptico-mecánico Sensores pasivos y activos de microondas Dispersión La dispersión se produce por la presencia de partículas en la atmósfera, especialmente de gas, agua y humo. Según el tamaño de las partículas se pueden producir los siguientes tipos de dispersión: a) Dispersión de Rayleigh, cuando el tamaño de las partículas es menor a la longitud de onda. Se produce una pérdida de energía que aporta el color azul del cielo, es importante para el espectro visible. Se realiza entre los a metros de altura. b) Dispersión de Mie, cuando el tamaño de las partículas es aproximadamente igual al tamaño de la longitud de onda. se realiza bajo los metros. 15

18 c) Dispersión no selectiva, se produce cuando el tamaño de las partículas es mayor a la longitud de onda. Esta dispersión explica el color blanco de las nubes. Esta dispersión es producida por el vapor de agua, para longitudes de onda inferiores a 15 µm Emisión y refracción La atmósfera emite longitudes de onda correspondiente a las absorbidas, esta radiación se agrega a la útil, reduciendo el contraste de radiación de los objetos. La refracción se produce debido a que la atmósfera es un medio gaseoso, lo que hace que la propagación de las ondas no sea en línea recta. En general, podemos decir que los fenómenos atmosféricos hacen posible la iluminación de los lugares en forma indirecta. La estación del año, día y hora, son importantes porque varían el ángulo de incidencia de la energía solar. La cantidad de energía reflejada por los objetos, acentúa los fenómenos de interferencia atmosférica y aumenta o disminuye la cantidad de superficies bajo sombras ESPECTRO ÓPTICO REFLECTIVO. El flujo de radiación espectral incidente sobre la tierra es reflejado, absorbido y transmitido al interactuar con los objetos. La proporción de cada uno de estos procesos estará de acuerdo a la naturaleza de los objetos, tanto de sus propiedades internas como de su forma y características externas, como también de la longitud de onda de la energía incidente, del ángulo de iluminación (dependiente de la hora del día y estación del año) condiciones atmosféricas, influencia de las características topográficas y de la proximidad con otros objetos diferentes que modifican, agregando o restando energía. La reflectancia ocurre cuando la energía interactúa con una superficie no transparente, corresponde a la capacidad de la superficie de reflejar la energía incidente. Se mide mediante la reflectividad que es la relación entre el flujo incidente y el flujo de energía reflejada. La naturaleza de la reflectancia depende del tamaño de las irregularidades de la superficie en relación con la longitud de onda de la radiación considerada. Si la superficie es suave y el particulado o rugosidad es menor que la longitud de onda se produce una reflexión especular, la cual se caracteriza porque refleja la mayor parte de la energía en un flujo único, en el mismo ángulo de incidencia. Esto ocurre con los cuerpos de agua en calma, superficies con espejos y metales. En las superficies rugosas se produce una reflectividad en todas las direcciones, 16

19 estas superficies se conocen como reflectores difusos, los que se comportan de acuerdo a la ley de Lambert que enunció que de una superficie perfectamente difusa se percibe un brillo que no cambia con el ángulo de observación. Esta ley es normalmente usada en teledetección para explicar el comportamiento de las superficies naturales, de esta forma, se puede hablar de superficies no lambertianas, mixtas y lambertianas. Un ejemplo de superficie no lambertiana es la cubierta vegetal de la vid (viñas), cuya reflectividad varia de acuerdo a la disposición de las cepas y del ángulo de observación. Se debe recordar siempre que la reflectividad de una superficie rugosa depende de la propia superficie en relación a la longitud de onda incidente y del ángulo de iluminación y que un objeto puede responder en forma especular, lambertiana o mixta. Las medidas de radiometría espectral que se realizan en teledetección, con instrumentos localizados a pocos metros del suelo, dependen tanto de la superficie reflectante como de las direcciones de iluminación y de observación, tal como se indica en la figura 1.5. Figura 1.5 Geometría de una medida de reflectividad espectral Los sensores ubicados en plataformas espaciales, como por ejemplo el Thematic Mapper, a bordo del satélite Landsat 5 y 7, proporcionan medidas que están relacionadas con las obtenidas en el suelo mediante espectroradiómetros. No obstante, esta relación no es sencilla de establecer debido a los diferentes efectos perturbadores que alteran la señal al pasar a través de la atmósfera Reflectividad espectral de los cuerpos. Las características de reflectancia, están íntimamente asociadas a la composición misma de los cuerpos naturales, tanto en sus propiedades químicas como físicas. 17

20 Si un objeto absorbe toda la energía incidente se dice que es un cuerpo negro. El cuerpo negro es un cuerpo ideal en equilibrio termodinámico con su medio ambiente, absorbiendo totalmente la radiación que recibe y emite una radiación máxima en todas las longitudes de onda. Por otro lado, un cuerpo gris se define como aquel que no absorbe toda la radiación recibida, una parte es reflejada o transmitida. Por lo tanto, a igual temperatura, un cuerpo gris no emite tanto como un cuerpo negro. Así, se cumple siempre con la ley de conservación de la energía que se expresa en la siguiente relación : I = R + A + T donde: I = Energía incidente R = Energía reflejada A = Energía Absorbida T = Energía Transmitida En la naturaleza se encuentran cuerpos que absorben y reflejan en parte la energía y no en su totalidad, por lo cual tendremos: donde: λ = P x H λ = radiancia de un cuerpo P = reflectancia H = irradiación Se expresa así el retorno de energía obtenido de los diferentes objetos, la cual es medida por espectrómetros y radiómetros. Esta energía es la que puede ser captada por los sensores remotos y transformada en señal electrónica, valor numérico y finalmente llevada a imagen. Las características más estrechamente relacionadas con la proporción de energía que reflejan los cuerpos naturales son: las irregularidades de la superficie, el contenido de humedad, el color de la superficie y la composición química. Las irregularidades de la superficie condicionan en una alta proporción la reflexión de los cuerpos naturales. Como principio general puede establecerse que cuando éstas son de magnitud menor que la longitud de onda, se presenta reflexión especular, donde el ángulo de reflexión de la radiación es igual al ángulo de incidencia. Para irregularidades mayores que la longitud de onda, se presenta reflexión difusa. En la reflexión especular, normalmente casi la totalidad de la radiación es reflejada en determinada dirección; por tanto, puede bien llegar al sensor produciendo una señal sumamente fuerte como sucede generalmente en la fotografía aérea, o bien, 18

21 desviarse completamente de la trayectoria del sensor y no producir ninguna señal Transmisión La transmisión de la radiación ocurre cuando esta pasa a través de una sustancia sin una atenuación significativa. La habilidad de un medio para transmitir energía se mide como la transmitancia (t): t = radiación transmitida / radiación incidente. En teledetección es importante en relación con las películas que utilizan las cámara aéreas y espaciales, como también en relación a los filtros que se deben usar para lograr el registro de determinadas bandas espectrales. Comúnmente se piensa que la transmisión esta ligada a los cuerpos transparentes como el agua, esto es porque la relacionamos con las longitudes de onda del visible, sin embargo existe transmisión en diferentes cuerpos en otras longitudes de onda. Es el caso de las hojas de los vegetales, las cuales son opacas a la región del visible pero transmiten una cantidad significativa de longitudes de onda del infrarrojo Absorción La absorción de la energía por los objetos depende de las características de cada uno, especialmente de la estructura interna y externa que le permiten la capacidad de retener la radiación incidente y transformarla en energía, la que sumada a la propia energía constituye su emisividad. Las superficies terrestres tienen diferentes grados de absorción, modificando la cantidad de energía reflejada. La absorción se mide por la absortividad que es la relación entre el flujo incidente y el absorbido por la superficie (flujo absorbido / flujo incidente). 1.6 RESPUESTA ESPECTRAL REFLECTIVA DE ELEMENTOS NATURALES En este punto se verá el comportamiento de las coberturas principales de la tierra, como son la vegetación, suelo y agua, en las tres regiones del espectro electromagnético de mayor uso en teledetección. La energía, al llegar al objeto, interactúa de diversas formas dependiendo de las características propias del objeto. De esta forma, tenemos que la Energía Incidente (I), puede ser Reflejada (R), parte Transmitida (T) y parte Absorbida (A) (figura 1.6). 19

22 Figura 1.6. Interacción de Energía con la superficie terrestre El comportamiento teórico o la respuesta modelo de cada uno de los objetos con la interacción con la energía, expresada en la resultante de energía reflejada, en este caso, es lo que se llama FIRMAS ESPECTRALES, las cuales ayudan a identificar cada uno de los objetos de la superficie de la tierra, por cuanto cada uno de los objetos tiene una respuesta espectral única. Las firmas espectrales (figura ) o curvas características son entonces representación de la energía reflejada en relación a las longitudes de onda, consideradas sin el efecto atmosférico de la trayectoria objeto-sensor, y medida en condiciones ideales de ángulo incidente. Figura Firmas Espectrales de Diferentes Coberturas 20

23 En esta figura (1.6.1) se aprecia las firmas espectrales de cada elemento y como difieren estas, así como las longitudes de ondas donde las respuestas se hacen parecidas. Esto refuerza la necesidad de contar con sensores que puedan captar un número significativo de bandas espectrales. Se observa además, en que zonas del espectro cada objeto refleja mayor energía, dato que es de gran utilidad para la identificación y representación mediante la asignación de los colores primarios a cada una de las bandas y la selección óptima de las propias bandas espectrales a trabajar. En la región 0,7 a 0,9 micrómetros se muestra una marcada separación entre las curvas de vegetación, agua, suelo, por lo tanto, puede perfectamente tomarse esta región como básica, si se quiere establecer la separación entre estos tres cuerpos naturales. Las firmas espectrales son indicativas entonces, del comportamiento espectral de los distintos objetos en las diferentes bandas espectrales, por lo cual un conjunto de firmas, representativas de diferentes objetos indican en que bandas existe una mayor separabilidad espectral, haciendo más fácil su identificación en las imágenes y su respectiva clasificación. El conocimiento de la reflectividad se logra con mediciones en laboratorio o en el terreno, mediante instrumentos denominados radiómetros. Los datos obtenidos mediante estos instrumentos deben ser considerados en relación a los elementos externos que afectan los datos que se obtienen por los sensores espaciales. Estos son: atmósfera, ángulo de iluminación solar, ángulo de observación del sensor, estado fenológico en el caso de los vegetales, época del año, ubicación geográfica, calibración espectral y radiométrica del sensor, cambios en la humedad, etc Reflectividad de la vegetación. La cobertura vegetacional esta conformada por un conjunto de hojas que se disponen y agrupan de formas diferentes, la cual puede ser medida por el LAI (índice de área foliar) que es la superficie total de hojas por superficie de terreno. El tipo de reflectancia de una hoja es Lambertiana. Una hoja esta constituida por diferentes capas de materia orgánica de estructura fibrosa, las cuales contienen diferentes tipos de pigmentos como la clorofila a y b, xántofilas, carotenos y otros, poseen una estructura fisiológica compleja y contenidos de agua variable, dependiendo de la especie y de las condiciones del sitio donde se desarrollan, como también de las características fenológicas de la propia hoja. La cantidad de energía que es reflejada, absorbida y transmitida en las diferentes longitudes de onda por las hojas, depende de otros factores, aparte de los mencionados anteriormente, como son la respuesta espectral del suelo, presencia de vegetación senescente, elevación angular del sol y del sensor, la geometría de la propia cobertura de los 21

24 cultivos y los cambios fenológicos. La reflectancia espectral de la cobertura vegetacional varia con la longitud de onda, reflejando más en ciertas longitudes de onda que en otras. En la figura se presenta la curva de reflectividad típica de la vegetación sana. Figura Firma Espectral de la Vegetación Como indica la figura 1.6.2, se puede resumir para las diferentes regiones espectrales lo siguiente: - Región del visible (0,4 a 0,7 µm.): alta absortancia, baja reflectancia y transmitancia, debido a los pigmentos.. - Región del infrarrojo cercano (0,7 a 1,3 µm.): absortancia baja, reflectancia media-alta y transmitancia media. En este rango, la reflectividad crece notablemente debido a la escasa absorción de las plantas por su estructura fisiológica. - Región del infrarrojo medio (1,3 a 3,0 µm.): absortancia media-alta, reflectancia media, transmitancia baja. En esta región, el agua contenida en la hoja es la responsable de la baja reflectividad, dado que en esta región el agua presenta un máximo de absorción Absorción de los pigmentos Las plantas contienen cuatro pigmentos principales, la clorofila a y b, B caroteno y xantofila, todos los cuales absorben la energía en el visible para realizar los procesos de fotosíntesis como se indicó en la figura En esta figura se observa una baja reflectividad de la vegetación en las zonas del espectro visible correspondientes al azul (0,4 µm) y al rojo (0,7 µm) dada por la presencia de clorofila a y b, las cuales son responsables de la absorción en estas longitudes de onda. Los carotenos y xantofilas lo hacen con las longitudes del verde (0,55 µm) y algunas longitudes más largas Estructura fisiológica 22

25 La discontinuidad del índice de refracción entre las partes de la hoja determina la reflectancia en el infrarrojo. Esta discontinuidad ocurre entre membranas y el interior del citoplasma, entre células individuales y espacios de aire del mesófilo esponjoso. La combinación de los pigmentos y la estructura fisiológica de la hoja produce propiedades características de la reflectancia, como: baja reflectancia en el rojo y en el azul; reflectancia media en el verde y alta en el infrarrojo. Las diferencias de reflectancia entre especies depende del grosor de la hoja que afecta la cantidad de pigmentos contenidos y la estructura fisiológica. Por ejemplo hojas gruesas como las de las coníferas tienden a absorber más y a reflejar poco, a diferencia de las hojas palmadas y delgadas que absorben poco y reflejan más, por ello, este tipo de hojas se identifican con tonos más claros que las de coníferas Efecto del ángulo de elevación solar y del sensor Dado que la vegetación no refleja en todas las direcciones de la misma forma, el ángulo de elevación solar y del sensor respecto de la cobertura vegetacional, tienen un efecto en la reflectancia de ella. La variabilidad de la respuesta espectral de una plantación, depende del tamaño del área observada por el sensor lo que depende a su vez, de la altura del sensor. La variabilidad de la respuesta de la vegetación es, en general, mayor con ángulos de elevación solar bajos mientras que se mantiene constante durante alrededor de dos horas cerca del mediodía. Son dos los factores que influyen, el primero es la capacidad de absorción de las hojas, la cual es mayor cuando la luz le llega en forma vertical y menor, a medida que le toca en forma más tangencial. El segundo factor es la cantidad de sombras que se producen a mayor inclinación solar, disminuyendo la reflectancia de las longitudes de onda del visible y del infrarrojo. El ángulo de elevación del sensor determina la cantidad de energía que se va a registrar. Al moverse el sensor de la vertical se registra una menor cantidad de suelo y mayor proporción de vegetación. Por ejemplo una variación de 10 grados de la vertical implica una variación en el registro de la reflectancia de las longitudes de onda del rojo y del infrarrojo cercano de 28 a 40 % Contenidos de agua En el infrarrojo medio, la respuesta espectral de la vegetación está determinada por su contenido hídrico. El agua contenida en la vegetación presenta una alta absorción en las longitudes de onda de 1,4 µm, 1,9 µm y 2,7µm lo que significa una baja reflectividad por parte de la vegetación en estos valores. Como se ha visto, el grado de absorción de la radiación solar por la vegetación se relaciona con su contenido hídrico, a su vez con la turgencia de las células y con el grosor de las hojas. Al disminuir su humedad o turgencia, aumenta su reflectividad y disminuye su 23

26 absorción en el infrarrojo medio. En este rango, se tiene entonces, a mayor turgencia menor reflectividad y a menor turgencia mayor reflectividad. Figura Firma espectral de la vegetación y del suelo en relación a su contenido de humedad En la figura se presenta las firmas espectrales del suelo en relación a contenidos de humedad de 0 a 4%, entre 9 y 12% y 22 a 32 %, además de la respuesta de la vegetación en relación a su contenido hídrico Efecto del suelo El suelo afecta la reflectancia de la vegetación, disminuyéndola y aumentándola según se trate de suelos de tonos claros u oscuros. Los suelos oscuros producen una alteración de las longitudes de onda del rojo, aumentando los índices foliares. La reflectancia de los suelos de tonos claros inciden en una correlación menor entre el LAI y la reflectancia del infrarrojo, subestimándolo Efecto de la senescencia y enfermedades En la vegetación senescente y/o enferma los pigmentos disminuyen, por lo cual se produce un aumento en la reflectancia de las longitudes del azul y rojo y en menor medida en el infrarrojo (figura 1.6.4) lo que da como resultado una disminución de los índices de vegetación como el de resta y el índice normalizado. 24

27 Reflectividad (%) Hoja Sana Hoja Enferma ,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 Longitud de Onda Figura Firma Espectral de Vegetación Sana y Enferma 1,9 2 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 2, Efecto de la geometría de la cobertura La geometría del cultivo determina la cantidad de luz solar que es interceptada y que interacciona con la vegetación y con el suelo. El efecto de la disposición de la cobertura esta en función del ángulo solar, produciéndose alteraciones en la reflectancia por la cantidad de sombras que se producen, disminuyéndola por predominancia de la reflectancia del suelo Efecto de la fenología La reflectividad de una cubierta vegetal depende en gran medida de su estado fenológico, es decir, del grado de crecimiento o madurez de la vegetación. Es importante considerar de igual forma, los eventos externos que afectan las cubiertas vegetales y que determinan cambios en sus respuestas normales, como por ejemplo enfermedades fitosanitarias, golpes de calor, sequías, etc Factores externos Como factores externos que afectan la reflexión en las plantas, se consideran: deficiencias de agua, deficiencias de nutrientes del suelo, salinidad del suelo, depósitos de minerales, variaciones estacionales, factores climáticos. 25

28 Los factores externos afectan la reflectancia de las hojas y de las plantas en su conjunto, debido a que producen cambios en: pigmentación, estructura del mesófilo, contenido de agua y propiedades de la superficie de la hoja. La proporción de radiación reflejada por una cubierta vegetal está además afectada por otros factores como: - Variabilidad de la radiación solar según factores atmosféricos y condiciones diurnas y nocturnas. - Transformaciones de la radiación electromagnéticas a nivel de superficie de suelo. - Variables de la cobertura aérea y orientación de las hojas. - Indices de cobertura foliar Reflectividad de los suelos Las propiedades espectrales de los suelos difieren considerablemente de aquellas de la vegetación, dado que la mayoría de los sensores captan información sobre la capa superficial de la tierra. Sólo donde el suelo está expuesto es posible captar información directa sobre éste, como por ejemplo, áreas áridas, semiáridas o subárticas, o bien, en zonas recién preparadas para la siembra o erosionadas. Donde exista cualquier tipo de cobertura, será ésta la que condicione la reflexión de energía electromagnética. Los factores que condicionan la reflexión de energía en los suelos son el contenido de humedad, textura, estructura y composición del suelo Contenido de humedad Los cambios en el contenido de humedad, se reflejan directamente en las curvas de reflectancia de los suelos. Al aumentar el porcentaje de humedad del suelo ocurre una disminución de la reflectancia para todas las longitudes de onda. Es necesario advertir que la información obtenida por los sensores puede, a veces, no ser representativa de la humedad del suelo, ya que la situación normal es que después de humedecido, el suelo puede secarse rápidamente en la capa puramente superficial y conservar un contenido de humedad considerablemente mayor a unos pocos centímetros de profundidad, el cual no será detectado, ya que el sensor solo capta las condiciones de la superficie, excepto los sistemas de radar con longitudes de onda relativamente largas. Los suelos secos se caracterizan por presentar un aumento de su reflectividad a medida que aumenta la longitud de onda. 26

29 Textura La textura juega un papel importante en el comportamiento espectral de los suelos, debido a su influencia en la capacidad de retención de humedad como a la influencia que ejercen el propio tamaño de las partículas sobre la reflectividad (Figura 1.6.5). Figura Firmas espectrales del suelo en relación a su textura. En términos generales, el tamaño de las partículas influye en la proporción de radiación reflejada por los suelos en relación inversa a su tamaño. A mayor diámetro de las partículas menor proporción de reflectancia. En el caso de suelos arcillosos, aun en el caso de poca humedad, su reflectividad está influida por la curva de absorción del agua. En cambio, para los suelos arenosos su reflectividad es independiente de la curva de absorción del agua, siempre que la humedad del suelo no sea alta. En condiciones de laboratorio, las curvas de reflectancia para diversas texturas presentan formas muy similares, tanto en la región visible como en el infrarrojo cercano y medio Estructura Las superficies de suelo uniformes tienen reflectancia más alta que las superficies irregulares. En condiciones de campo, los suelos recién arados tienen 27

30 agregados de tamaño relativamente grande, esta aspereza de la superficie tiende a reducir la radiación reflejada por el suelo. Al completar las labores de preparación (rastrillado y nivelación) se produce un incremento de la reflexión, como consecuencia de la suavización de la superficie. Se han encontrado igualmente (Orlov, 1963) que los suelos con pérdida de su estructura reflejan un 15% a 20% más radiación que los suelos bien estructurados. En todos los casos la forma de la curva de reflectancia y su decrecimiento, representa una curva paralela a la inicial Composición del suelo La materia orgánica es el componente que en forma más directa condiciona la reflexión en los suelos. Experimentalmente, se ha demostrado que al destruir la materia orgánica en los suelos se produce un incremento en el nivel de radiación reflejada, situación que también se manifiesta en condiciones de campo. Otros constituyentes que influyen en las propiedades espectrales de los suelos son la presencia de óxidos de Fe, concentraciones notables de calcio, u otras sales que pueden acumularse en la superficie o afectar el desarrollo de la cobertura vegetal. Estos componentes influyen en las propiedades espectrales de los suelos, en tanto afecten el color en la superficie. Así las concentraciones de calcio, producen suelos blanquecinos cuya reflectancia es mayor que la de los suelos rojos derivados de óxidos de Fe; los suelos negros ricos en materia orgánica, presentan los menores porcentajes de reflectancia Reflectividad del sistema Suelo - Vegetación El suelo de fondo de un cultivo, sobre el cual se orientan y distribuyen las mismas, constituye un elemento reflectante muy importante en la determinación de la reflectividad global del cultivo. Las curvas de reflectancia del suelo y la vegetación pueden estar muy próximas en algunos rangos del espectro electromagnético y aún cruzarse, tal es el caso del rango visible (0,4 a 0,7 mm) donde la curva de la vegetación verde ocupa un rango intermedio entre la curva de los suelos orgánicos y arcillosos. En esta situación es bastante difícil discriminar suelo de vegetación. Por ello es necesario utilizar una región del espectro donde las curvas estén más separadas, tal como sucede en el infrarrojo, como se ilustra en la figura

31 Figura Firmas espectrales de suelo y vegetación. Algunos suelos que conservan contenidos relativamente altos de humedad, pueden presentar curvas de reflectancia muy similares a las de vegetación en el infrarrojo medio, como se presenta en la figura a. Figura a. Relación entre contenido de humedad del suelo y de la vegetación En esta figura (1.6.7a) se observa una mayor respuesta espectral de hojas secas de maíz que las de un suelo arcilloso en estas mismas condiciones de humedad. En la práctica, esta situación se puede traducir en una baja separabilidad de estas dos clases. 29

32 Los suelos arenosos por el contrario, conservan menos humedad, y sus curvas difieren notoriamente de las correspondientes a la vegetación. Figura b) Relación entre contenido de humedad del suelo y de la vegetación En el caso de los suelos arcillosos que aún después de secados al aire conservan bastante humedad en su estructura interna y para todas las longitudes de onda, su reflectancia es menor que la vegetación, como se observa en la figura b) Reflectividad de los cuerpos de agua La reflectividad de los cuerpos de agua, al igual que la vegetación y el suelo, varía con la longitud de onda de acuerdo con las interacciones que tienen lugar entre ella y la radiación solar. En los cuerpos de agua pura, la radiación incidente es transmitida o absorbida en gran proporción (figura 1.6.8). La reflexión es considerablemente menor si se compara con la situación de la vegetación y los suelos. La reflexión en los cuerpos de agua, es con mucha frecuencia de tipo especular, ya que su superficie generalmente es muy uniforme, por lo tanto, en las irregularidades superficiales tienen magnitud menor que la mayoría de las longitudes de onda. Cuando la superficie es disturbada, el fenómeno equivale a un incremento en las irregularidades superficiales, por tanto, se presenta una notoria variación en las propiedades de reflexión. 30

33 Figura Curvas de absorción del agua y reflectividad de la vegetación. Otro fenómeno significativo en los cuerpos de agua es la dispersión, la cual está condicionada en gran parte por las partículas disueltas o en suspensión, tales como partículas minerales y orgánicas, algas, plancton y las moléculas del agua misma. Esta radiación que ha sido dispersada es captada por los instrumentos sensores y registrada. Por tanto, la imagen se forma predominantemente como resultado de este fenómeno y no como resultado de la reflexión que se presenta en otros cuerpos naturales. En las grandes masas de agua, las diversas longitudes de onda presentan diferentes índices de transmisión para las longitudes de onda corta. En la región azul y verde, la transmisión será mayor y por ende habrá mayor absorción que en el rojo donde la transmisión es absolutamente menor, con el correspondiente incremento en la absorción; en el infrarrojo cercano la absorción es prácticamente total, por tanto, la transmisión será nula. Estos fenómenos explicarían los colores azul a verde de las grandes masas de agua limpia. La radiación transmitida sufre una fuerte dispersión, presentando color azul. Las aguas costeras de los océanos son producto de la absorción selectiva por materiales disueltos más no depende de dispersión selectiva Reflectividad del hielo, nieve y nubes. Las nubes, el hielo y la nieve, reflejan en muy alta proporción la radiación tanto en el rango visible como en el infrarrojo cercano. En el rango visible e infrarrojo cercano del espectro, la reflectancia del hielo es similar a la producida por las nubes. La diferencia entre estos cuerpos se basa esencialmente en la forma, textura y 31