UNIVERSIDAD DE MAGALLANES

Transcripción

1 UNIVERSIDAD DE MAGALLANES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD SENSORAMIENTO REMOTO DE IMÁGENES SATELITALES Pilar Andrea Caneleo Pérez. Punta Arenas, 2010

2 UNIVERSIDAD DE MAGALLANES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD SENSORAMIENTO REMOTO DE IMÁGENES SATELITALES Trabajo de titulación presentando en conformidad a los requerimientos para obtener el título de INGENIERO CIVIL EN ELECTRICIDAD MENCIÓN ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Autor: Pilar Andrea Caneleo Pérez. Profesor Guía: Rolando Aguilar C. Patrocinador: Carlos Cárdenas M. Punta Arenas, 2010

3 Cuando quieres algo, todo el universo conspira para que realices tu deseo. Paulo Coelho

4 RESUMEN En el presente trabajo de título se analizaran los algoritmos que se usan para determinar la temperatura de la superficie terrestre a partir de una imagen satelital. En una primera parte se estudiarán los glaciares a partir de su clasificación termal, destacaremos la importancia actual que tienen los glaciares tanto en nuestro país como en el mundo y los efectos que éstos tienen en la naturaleza. Para mayor detalle se especificará la clasificación de los sensores, las bandas de teledetección que existen y los sistemas satelitales. Se explicará cómo se obtienen las imágenes satelitales para esto se presenta un manual para usar USGS- Glovis, de donde se descargan las imágenes de cualquiera de los satélites existentes. También se presenta un manual de ENVI, software que se usa para procesar las imágenes satelitales y el cual se uso para obtener valores de temperatura y luego comparar con los resultados obtenidos en MATLAB. Finalmente se tomaron los algoritmos de TST (Temperatura superficial terrestre) y se procesarán tanto en MATLAB como en ENVI para comprobar que los resultados sean similares. A partir de este estudio se puede determinar que efectivamente es posible trabajar con MATLAB para modificar cualquier algoritmo que sea necesario utilizar y aplicarlos a las imágenes satelitales, obteniendo resultados satisfactorios.

5 ÍNDICE RESUMEN INDICE CAPÍTULO I INTRODUCCIÓN...1 CAPÍTULO II Teledetección y su aplicación a la glaciología Qué son los Glaciares? Glaciaciones Tipos de Glaciares Glaciares Templados Glaciares Fríos Glaciares Politermales Efectos de la naturaleza Importancia del Estudio de los glaciares Aplicaciones del Sensoramiento Remoto a los glaciares Fundamentos de la teledetección.16

6 CAPÍTULO III Sensores Remotos y Sistemas Satelitales Clasificación de Sensores Remotos Bandas de Teledetección Teledetección del Infrarrojo Visible Teledetección en el Infrarrojo Lejano Teledetección en la Zona de las Microondas Sistemas Satelitales. 29 CAPÍTULO IV Estimación de temperaturas superficiales Introducción Landsat 7 ETM Bandas Espectrales y resolución espacial Niveles de corrección geométrica de las imágenes Landsat Formatos y soportes Existentes Herramientas para adquisición y procesamiento de imágenes Glovis Envi Conversión de banda térmica del Landsat 7 ETM+ a temperatura..46

7 4.4 Fundamentación del algoritmo de procesamiento Algoritmos Procesamiento de imágenes en ambiente Matlab Cálculo de Temperatura superficial a partir de datos Landsat Resultados...56 CAPÍTULO V Conclusiones Generales BIBLIOGRAFÍA 63 ANEXOS ANEXO A: GLOVIS.. 65 ANEXO B: ENVI 74 ANEXO C: MATLAB 93

8 CAPÍTULO I INTRODUCCIÓN

9 Capítulo I. Introducción. INTRODUCCIÓN Chile se caracteriza por ser un país con grandes superficies glaciares, relacionadas con la cordillera de los Andes, la cual está presente a lo largo de todo nuestro extenso país. La cordillera de los Andes se extiende desde el Norte Grande donde la existencia de glaciares es escasa, hasta el sur de Chile. El extremo austral de Chile posee la mayor cantidad de hielo del hemisferio sur, sin contar con la Antártica. Las dos principales superficies englaciadas son el Campo de Hielo Norte y el Campo de Hielo Sur, los que han recibido la mayor atención en los últimos años. Las regiones australes se caracterizan por presentar un clima lluvioso y frio la mayor parte del año. Estas condiciones se podrían considerar como impedimento para el estudio y la investigación glaciológica. Es por esto que la tecnología digital de los Sistemas de información Geográfica, los sensores remotos y los radares han sido de gran utilidad para el estudio de las dimensiones y variaciones recientes de los más importantes glaciares de estas regiones. Debido al creciente desarrollo de la tecnología de imágenes satelitales, se han podido realizar estudios que permiten su evaluación desde estos satélites. Ejemplo de esto es un estudio realizado por la Universidad Austral de Chile, Cartografía digital de la Reserva Nacional Valdivia a partir de imágenes satelitales Landsat TM. ( 2

10 Capítulo I. Introducción. Chile aloja una importante extensión de hielo de glaciar, y se debe considerar que es ahí donde se alberga la mayor reserva de agua dulce del planeta y la segunda reserva de agua luego de los océanos. Es importante monitorear los cambios que los glaciares puedan presentar, ya que son uno de los indicadores más confiables de variaciones de temperatura del planeta. Se estima que el retroceso de los glaciares, se debe principalmente al calentamiento global de la atmósfera. Es por esto la importancia de realizar estudios sobre la Temperatura superficial de los glaciares por medio del uso de los satélites. En el presente trabajo se expondrá en el segundo capítulo lo referente a la Glaciología y el Sensoramiento Remoto, donde se detallará la clasificación de los glaciares de acuerdo a su régimen térmico, los efectos de los glaciares en la naturaleza, la importancia del estudio de los glaciares, tema de gran importancia en este trabajo, algunas aplicaciones de la teledetección a los glaciares y finalmente algunos fundamentos básicos de la teledetección. En el tercer capítulo, se detallará la clasificación de los sensores remotos, la clasificación de las bandas de teledetección y una explicación sobre los sistemas satélites. 3

11 Capítulo I. Introducción. En el cuarto capítulo, se trata el tema de relevancia en este trabajo, donde se explican las herramientas utilizadas, como el tipo de satélite con el que se trabajó, que en este caso fue el Landsat 7 ETM+. Luego se presenta una breve explicación sobre las aplicaciones del navegador on-line USGS Glovis y el Software ENVI. La fundamentación de los algoritmos usados y cómo se procesaron las imágenes en el ambiente MATLAB darán cierre a este capítulo. Finalmente los Resultados obtenidos y las conclusiones darán término a este trabajo de título. 4

12 CAPÍTULO II TELEDETECCIÓN Y SU APLICACIÓN A LA GLACIOLOGÍA

13 Capítulo II. Teledetección y su aplicación a la Glaciología TELEDETECCIÓN Y SU APLICACIÓN A LA GLACIOLOGÍA 2.1 QUE SON LOS GLACIARES? Existen numerosas definiciones para explicar lo que se entiende por glaciar. En general se puede entender como una gran acumulación natural de hielo situada en tierra firme y afectada por un movimiento pasado o presente (Strahler y Strahler, 1989, p. 357). Para la formación de un glaciar es necesario que la cantidad de nieve caída sea mayor en invierno que en verano porque se deben superar las pérdidas de hielo las cuales son provocadas por la evaporación y por la fusión producida entre el hielo y la nieve. La acumulación de nieve se va produciendo cada año, y se van superponiendo las nuevas masas de hielo a las que ya están presentes. Acumularse la nieve y su compactación son las dos situaciones que se deben efectuar para generarse las masas de hielo granular, el hielo cristalino se formando a medida que se comprimen las capas superiores de nieve. El glaciar activo se conoce como la masa de hielo que adquiere grandes espesores y la base del glaciar adquiere una plasticidad que le permite a las masas de hielo desplazarse a favor de la pendiente. Cerca del 75% del agua dulce existente en el planeta de almacenada por los glaciares. 6

14 Capítulo II. Teledetección y su aplicación a la Glaciología 2.2 GLACIACIONES Se conocen como glaciaciones a los largos periodos de tiempo donde la temperatura del planeta desciende al punto de ser lo suficientemente baja como para generar las grandes masas de hielo. 2.3 TIPOS DE GLACIARES Los glaciares se pueden clasificar de a cuerdo con su tamaño, forma, temperatura/dinámica y ubicación en las zonas climáticas. Debido a que el tema de interés son temperaturas superficiales, es que se especificará la clasificación basándose en la temperatura interior del glaciar Glaciares Templados: Para estos glaciares, la temperatura del hielo está unos pocos grados más bajos que la del punto de fusión. Los glaciares que se encuentran en la línea de la nieve cristalizada se ubican en las altitudes medias y en los trópicos. Son constantes los cambios que experimenta la nieve cristalizada en su formación. Ante los cambios climáticos la reacción de los glaciares templados es relativamente rápida. En el fondo de los glaciares fluyen continuamente ríos, los que se generan a partir de la fusión de los hielos. Desde el punto de vista de su formación se podría decir que estos glaciares son más eficientes que los polares. 7

15 Capítulo II. Teledetección y su aplicación a la Glaciología Glaciares Fríos: Estos glaciares se caracterizan por tener una temperatura de hielo inferior a 0 C en la zona de alimentación, esto tiene lugar en una zona de acumulación concreta. La pérdida de hielo y nieve es generalmente escasa. Al no existir estas pérdidas en la superficie, existe la formación de rocas a partir de sedimentos sueltos, los cuales pasan por un lento proceso de compactación. Una onda fría congela toda la masa durante invierno lo que impide el aumento de la temperatura en verano. En Chile existen glaciares fríos en los Andes del Norte, donde los escasos glaciares allí ubicados, están a gran altura, presentando temperaturas del orden de -15 C a -20 C. La mayor parte de la Antártica tiene carácter frío con muy escasa ablación (pérdida de hielo y nieve) Glaciares Politermales: La temperatura del hielo está por debajo del punto de fusión en los glaciares politermales, y pueden alcanzar temperaturas cercanas al punto de fusión en la base del glaciar, generando un nivel de derretimiento. No se ha detectado la presencia de estos glaciares en Chile. Es importante destacar que lo glaciares por su conformación son muy susceptibles a los cambios climáticos, sirviendo como claros indicadores locales o globales. 8

16 Capítulo II. Teledetección y su aplicación a la Glaciología Un factor que influye en la velocidad del movimiento del glaciar se debe a la temperatura del hielo. Los glaciares templados se mueven con rapidez y los fríos lentamente. Los glaciares fríos que se encuentran en los polos están por debajo de la temperatura donde el hielo se derrite bajo presión. Los glaciares templados poseen una masa de hielo, la cual y sobre todo en su base, posee una temperatura en que el hielo se derrite bajo presión. Es muy característico de los glaciares templados la existencia de caudales de agua derretida y la posibilidad de que resbale la base del glaciar como forma de movimiento, esto se debe a la presencia de agua en la base del glaciar. En el caso de los glaciares polares, estos no pueden resbalar basalmente, debido a que está congelada en el subsuelo y en este sector el agua no se derrite. 9

17 Capítulo II. Teledetección y su aplicación a la Glaciología 2.4 EFECTOS DE LA NATURALEZA Al generarse un proceso glaciológico se producen varios efectos. Estos efectos en su mayoría son muy riesgosos. Algunos de los efectos que se pueden producir son; avalanchas de nieve, avalanchas de bloques de hielo, inundaciones debido a fusiones o asociadas a erupciones volcánicas, la rotura de presas naturales y la ocupación de zonas que puedan estar habitadas por el hombre. Como es de conocimiento mundial, debido al incremento y acumulación de CO2, otros gases y aerosoles de efecto invernadero es que se produce el calentamiento global. Es debido a este calentamiento global que se están produciendo grandes pérdidas de las masas de hielos, fracturas y el desmembramiento de bloques de hielo. 10

18 Capítulo II. Teledetección y su aplicación a la Glaciología 2.5 IMPORTANCIA DEL ESTUDIO DE LOS GLACIARES Debido a la posición geográfica en que se encuentra Chile, presenta condiciones naturales para el estudio de los hielos, tanto de sus glaciares como de sus suelos. Su importancia como elemento de balance natural de las temperaturas y su influencia en el clima y el medio ambiente hacen que la conservación y el estudio de los glaciares sean temas muy relevantes para la ciencia tanto del país como a nivel Mundial. Gracias a la realización de un inventario, se estima que existe una cifra superior a 3100 glaciares en una superficie de 20 kilómetros cuadrados. Esto prueba la trascendencia de los glaciares a lo largo de todo el país, en donde, a principios del 2009 se aprueba la Política Nacional de Glaciares. El volumen de agua almacenado en forma de hielo contribuye a que Chile sea el país con mayores reservas de agua dulce del hemisferio sur fuera de Antártica. Gracias a la investigación glaciológica (disciplina científica que estudia las propiedades y comportamiento de las nieves y los hielos) conocemos las características generales de los glaciares de Chile aunque aún faltan datos básicos, como por ejemplo un catastro preciso la cantidad de glaciares existentes en el país. 11

19 Capítulo II. Teledetección y su aplicación a la Glaciología Se establecen las acciones principales que se deben llevar a cabo para asegurar la adecuada conservación de estos glaciares, esto gracias a que el estado de Chile reconoce la gran importancia de los glaciares para el país y el ecosistema asociado. A pesar de que los glaciares son solo reliquias reducidas de las extensiones glaciales que existieron en épocas antiguas, todavía juegan un papel importantísimo en nuestros días: suponen el 90% del agua dulce del planeta. Este es un dato importante, ya que en la actualidad hay cada vez más agua contaminada, que potable. Gracias a los glaciares se crean corrientes de aire y agua, lo que aporta en el equilibrio del clima de la tierra, ayudando a que el ambiente sea menos sofocante. Los glaciares que fluyen y desprenden sus témpanos en los extensos y profundos lagos patagónicos y los fiordos del Pacífico, revisten gran importancia porque: - Corresponden a grandes reservas de agua fresca, el cual es un recurso natural que se utiliza para el riego, generación de energía hidroeléctrica, etc., factores que son importantes para el desarrollo de la región. - Debido al creciente desarrollo turístico de la región, es que representa una fuente de ingresos cada vez mayor. 12

20 Capítulo II. Teledetección y su aplicación a la Glaciología - Su aporte contribuye a novedosos estudios referentes al cambio climático global y contribuyen al conocimiento sobre dinámica y procesos de desprendimiento de glaciares en agua dulce y marina. - Además contribuyen al aumento global del nivel del mar. Los campos de hielo sur y norte suman Km 2 y se estima que entre 1945 y 1996 se han perdido unos 825 ± 320 Km 3 de hielo, produciéndose un aumento en el nivel del mar. Así de importante son los glaciares y seguirán viéndose afectados si no disminuimos nuestra dependencia por productos que generan los llamados gases de invernadero, que dan continuidad al calentamiento global. 13

21 Capítulo II. Teledetección y su aplicación a la Glaciología 2.6 APLICACIONES DEL SENSORAMIENTO REMOTO A LOS GLACIARES. Es de gran importancia adquirir información de la superficie terrestre, en este caso de los glaciares, sin tener un contacto directo con ellos, gracias al análisis e interpretación de la energía reflejada de los diversos componentes que conforman la superficie terrestre. Algunas aplicaciones de la teledetección son: - Las imágenes multi-espectrales son utilizadas para obtener información sobre el medioambiente y la teledetección proporciona las técnicas y métodos que permiten analizar este tipo de imágenes. - Los sensores, como el ETM+, presente en el satélite Landsat 7, permiten desarrollar de forma más detallada estudios sobre los cambios en la superficie terrestre. - Lo que permite a los investigadores adaptar a su trabajo el uso de sensores remotos y de las fuentes de información automatizadas es la aparición de estas nuevas tecnologías que se usan en la observación de la tierra en conjunto a la aplicación de los fundamentos que rigen la percepción remota. Sobre todo para el monitoreo de zonas de difícil acceso; como es el caso de los glaciares. 14

22 Capítulo II. Teledetección y su aplicación a la Glaciología - Entre sus aplicaciones también es que se puede conocer el comportamiento futuro que pueda presentar un glaciar, todo esto teniendo suficientes datos sobre la condición actual del glaciar y asumiendo aspectos acerca del clima que se puede presentar en el futuro. -Utilizando imágenes satelitales y sensores remotos, se podría obtener información de los cambios en las dimensiones del área que ocupa un glaciar, siendo una herramienta útil con una exactitud y precisión acordes a la magnitud de los cambios esperados. -Los resultados obtenidos a partir de estos procesos podrían arrojar información acerca de la evolución de los glaciares y los motivos de su retroceso. -Algunas de las magnitudes que se pueden determinar a partir del Sensoramiento Remoto y las imágenes satelitales son; la Temperatura superficial, el albedo, línea de equilibrio, crecimiento de pastizales, marea roja, etc. 15

23 Capítulo II. Teledetección y su aplicación a la Glaciología 2.7 FUNDAMENTOS DE LA TELEDETECCIÓN Los sistemas de teledetección espacial tienen una importancia muy significativa y es la información que entregan sobre el espectro. Es aquí donde los sentidos no son capaces de percibir los que sucede. El infrarrojo cercano, térmico o las microondas son fenómenos para los cuales estamos limitados a percibir. Con el fin de comprender todos estos aspectos, resulta importante investigar la forma en que se comportan las distintas superficies en esas bandas del espectro. Para mayor información sobre los fundamentos de la teledetección dirigirse a Manual para el manejo y procesamiento de imágenes satelitales obtenidas del sensor remoto MODIS de la NASA, aplicado en estudios de ingeniera civil [5]. 16

24 CAPÍTULO III SENSORES REMOTOS Y SISTEMAS SATELITALES

25 Capítulo III. Sensores Remotos y sistemas satelitales. 3. SENSORES REMOTOS Y SISTEMAS SATELITALES. 3.1 CLASIFICACIÓN DE SENSORES REMOTOS. Cuando se habla de sensores remotos, lo primero que uno se imagina es un aparato muy parecido a lo que podría ser una cámara fotográfica, esto no se aleja de lo que es en la realidad, para el caso de sensores remotos los elementos que los componen son muy similares pero en este caso la tecnología que se usa es mucho más avanzada. La resolución que posee el sensor, se entiende como la habilidad para registrar (término utilizado por Estes y Simonett), se puede considerar que esta podría ser una definición un poco simple debido a que no se consideran otros factores. Cabe destacar que al hablar de resolución se deben considerar cuatro tipos; espacial, espectral, radiométrica y temporal. - Resolución espacial: este tipo de resolución hace referencia a la finura de detalles visibles en una imagen, lo que implica que objetos pequeños que puedan distinguirse de la imagen. Esta imagen está compuesta por pixeles, los que corresponden a la unidad más pequeña que se puede identificar en una imagen y representa una parte de la superficie que se observará. En una imagen, se mide como la mínima separación a la que los objetos aparecen separados en la misma imagen. 18

26 Capítulo III. Sensores Remotos y sistemas satelitales. La resolución espacial depende de factores como la altura, velocidad de exploración y número de detectores. - Resolución espectral: esta resolución indica el ancho y número de bandas espectrales que son identificables por el sensor remoto. Considera el número de bandas, el ancho de la banda y el espaciamiento que el sensor es capaz de detectar de las longitudes de onda a lo largo del espectro electromagnético. - Resolución temporal: esta resolución hace mención a los periódos con los que el sensor remoto proporciona una determinada cobertura sobre un punto. Estos periódos dependen de la órbita de la plataforma así como de las características propias del sensor. En cuanto a su diseño, se pueden encontrar sensores que captan y entregan información cada 30 minutos, así como existen sensores que tardan 20 días en cumplir con el proceso. - Resolución radiométrica: esta resolución corresponde a la capacidad que tiene el sensor para detectar las variaciones que se presentan de radiancia espectral. Con la resolución radiométrica del sensor se identifica el número máximo de niveles digitales que presenta la imagen. Esto se indica a partir del número de niveles de la escala de grises captados por la imagen. 19

27 Capítulo III. Sensores Remotos y sistemas satelitales. Cada pixel de esta imagen viene definido como un número entero. A este número se le conoce como nivel digital, que puede ser fácilmente traducido en escala de grises. A mayor resolución radiométrica mejor se podrá interpretar la imagen. Los sensores remotos son generalmente clasificados en dos grupos de percepción pasiva o pasivo y los de percepción activa o activos Sensores remotos pasivos: estos sensores son encargados de obtener información de la energía electromagnética que proviene de fuentes naturales. Esta energía es reflejada por la superficie de la tierra. Estos sensores se clasifican en tres grupos diferentes; los fotográficos, los ópticos-electrónicos y de antena. Como ejemplo, se tiene que las cámaras fotográficas pertenecen al grupo de los sensores fotográficos, los exploradores de barrido pertenecen al grupo de los sensores optoelectrónicos y finalmente los radiómetros corresponden al grupo de las antenas. -Sensores de barrido: son del tipo óptico-electrónico. Está diseñado para cubrir la superficie terrestre de manera metódica. Para realizar su proceso de captura, combina una óptica similar a la de los fotógrafos. Estos sensores poseen un sistema de detección electrónica. La composición de este sensor se basa en un espejo móvil. 20

28 Capítulo III. Sensores Remotos y sistemas satelitales. Este espejo oscila perpendicularmente a la dirección que toma la trayectoria. Gracias a esta característica el sensor puede identificar una franja de terreno a ambos lados del satélite. Estos sensores de barrido se conocen como los más comunes. La señal generada necesita ser almacena en antenas receptoras. Para esto, la radiancia del receptor es dirigida a un receptor, que convierte la señal. Finalmente la información obtenida se graba en dispositivos computacionales para luego ser procesadas. Este sensor tiene como objetivo principal convertir la señal analógica en un valor digital, es por esto que no se puede comparar con un sistema de fotografía. También es posible realizar el procedimiento contrario, esto quiere decir de análogo a digital, para la obtención de los valores de radiancia, pudiéndose realizar una medición más precisa de la superficie en observación. En estos equipos, la señal obtenida se descompone en longitudes de onda, cada una es enviada a un detector especial, sensible a este tipo de energía, conoció como sensor de barrido multiespectral, debido que se detectan en diferentes bandas espectrales la misma superficie. -Sensores de empuje: Este sensor posee detectores en cadena los que reemplazan el espejo oscilante ocupado en el sensor de barrido. Estos detectores cubren todo el campo de observación del sensor y trabajan de acuerdo al movimiento orbital del satélite, los detectores reciben el nombre de dispositivos de acoplamiento por carga. 21

29 Capítulo III. Sensores Remotos y sistemas satelitales. El uso de esta tecnología permite una resolución espacial mayor que la de los de barrido, debido a la eliminación de la parte móvil. Las desventajas de este sensor son, la difícil calibración de los detectores y así mismo presentan dificultad con ampliación de la información espectral obtenida. -Sensores fotográficos: en la actualidad, estos sensores son los más utilizados en particular de las plataformas aéreas como sistema de teledetección. En este caso la tecnología del sensor se basa en la impresión de imágenes sobre unas películas fotosensibles, además posee un sistema que permite aminorar las complicaciones al momento de la exposición. Las variables que influyen en este sistema son: ángulo de observación, cantidad de objetivos, altura de la plataforma y tipo de película. La altura de observación en la que se ubique este sensor, permite distinguir entre una fotografía espacial y una fotografía aérea. Las diferencias más mitigadas son la cobertura, geometría, resolución y nitidez. El tipo de cámara puede variar entre monobanda o multibanda, todo esto según la banda espectral captada en forma simultánea. Con respecto al ángulo de observación existen dos tipos de tomas, la primera se realiza para estudios variados y se hace de forma perpendicular al terreno y una segunda en forma oblicua con objetos estáticos. 22

30 Capítulo III. Sensores Remotos y sistemas satelitales. Finalmente el tipo de películas más utilizado es el pancromático (blanco y gris), las menos usadas son las películas en infrarrojo, que captan la radiación del infrarrojo en tonos grises. -Sensor o radiómetro de microondas: Este sensor se caracteriza por operar en un rango que varía entre 0.1 cm y 1 cm. Se conoce que las microondas son radiaciones electromagnéticas de longitud de ondas largas. Este equipo está compuesto por un receptor un elemento direccional y finalmente un detector. La desventaja de este sensor es que posee una baja resolución espacial, esto se debe a que es un sensor de apertura circular y la resolución es inversamente proporcional al diámetro de apertura y directamente proporcional a la longitud de onda. Este sensor es utilizado en gran cantidad de estudios relacionados con el medio ambiente y una de sus mejores aplicaciones ha sido su uso para estudiar zonas en donde las temperaturas se encuentran bajo 0 C. 23

31 Capítulo III. Sensores Remotos y sistemas satelitales Sensores remotos activos Estos sensores obtienen la información de la energía electromagnética que proviene de fuentes artificiales. Luego de obtenida la información, ésta es grabada para luego ser analizada. Estos sensores se caracterizan por la capacidad de generar un haz de energía para luego captarlo tras la reflexión del haz sobre la superficie que se está observando. El sensor activo más conocido es el radiómetro de microondas que trabaja en una banda espectral que va entre 0.1 y 1 cm. Este equipo puede trabajar en cualquier condición atmosférica debido a la tecnología que poseen. Este tipo de sensor está compuesto por los siguientes elementos: - Transmisor - Receptor - Antena - Sistema electrónico Su funcionamiento consiste en un transmisor, que genera pulsos continuos de microondas. Los puntos generados al interior de un haz, son enfocados por una antena. Este haz ilumina la superficie de forma oblicua, con un ángulo de inclinación cercano a los 90 grados, lo que produce que la antena reciba una porción de energía. 24

32 Capítulo III. Sensores Remotos y sistemas satelitales. Esta energía es devuelta desde los objetos y gracias al eco generado, se puede medir la distancia. El radar se caracteriza por trabajar en un rango de longitudes de onda que van desde 1 cm a 1m. Debido a la variedad de bandas que presenta, puede reconocer objetos con diversas características, lo que se resalta principalmente es el brillo, la tonalidad y la textura. 25

33 Capítulo III. Sensores Remotos y sistemas satelitales. 3.2 BANDA DE TELEDETECCIÓN TELEDETECCIÓN DEL INFRARROJO REFLECTIVO Y VISIBLE. La percepción remota del tipo pasivo se conoce como el reconocimiento del visible y el infrarrojo cercano. Esta información se consigue a partir de la cantidad de energía que es reflejada por un objeto luego de que esta incide sobre él (reflectancia). Lo que hacen estos equipos es capturar la información en forma digital y es común que esta captura sea en más de una banda. Al capturar la información y usar más de una banda es común que la penetración de cuerpos sólidos sea limitada. En el caso del hielo, la penetración puede alcanzar unos metros y para el caso de la nieve puede alcanzar unos centímetros. Ya sea en la capa vegetal como en los suelos, resulta fácil diferenciar sus características. Por lo tanto, el infrarrojo cercano tiene mejor aplicabilidad para investigaciones ambientales. Ejemplo de aplicaciones son; el monitoreo de las aguas, verificar el estado de la vegetación, verificar el estado de la nieve e identificar tipos de suelos y tipos de rocas. En la actualidad existe gran variedad de sensores remotos los que están a cargo del espectro, también son muy usadas las cámaras fotográficas para la identificación cartográfica. 26

34 Capítulo III. Sensores Remotos y sistemas satelitales. Los scanner electro ópticos también son usados como equipos de barrido, en algunos casos con exclusivo uso en el ámbito meteorológico TELEDETECCIÓN EN EL INFRARROJO LEJANO. La energía radiante desde una unidad de área y por unidad de tiempo es lo que se conoce como emitancia. Entre 8 y 15 um es la banda en donde la emitancia se puede manifestar con mayor claridad, todo esto según las leyes de Planck y Wian. De acuerdo a su temperatura (300 Kelvin) esta área es conocida como el infrarrojo térmico. El infrarrojo térmico o termal utiliza la energía emitida por el propio objeto. El sensor capta esta información, gracias a la propiedad que poseen los cuerpos con temperatura mayor al cero absoluto. Es según la emisividad, que este fenómeno de radiación varía entre longitudes de ondas cortas y largas y también depende de la hora del día en que se encuentre. Entre 0.94 y 0.99 varía la emisividad en el agua y el hielo. El agua posee una propiedad de mayor inercia térmica, esto le permite estar más cálida de noche que de día. Para el caso de la vegetación, sus condiciones térmicas dependen de la densidad, la estructura, etc. Para el caso de los suelos secos, estos se caracterizan por poseer una inercia térmica menor, eso le permite presentar mayor temperatura en el día que en la noche. 27

35 Capítulo III. Sensores Remotos y sistemas satelitales. Finalmente la resolución de los sensores encargados del infrarrojo termal es mucho menor comparada con los del infrarrojo visible, esto se debe a la larga longitud de onda que posee este tipo de radiación termal. Estos equipos se caracterizan por usar una tecnología de barrido mecánico. El barrido mecánico consiste en que la radiación emitida por el objeto, es recibida por un detector fotoeléctrico. Este detector es previamente enfriado y la captura de información es tanto de día como de noche. Su principal aplicación es en trabajos militares y prevención de desastres TELEDETECCIÓN EN LA ZONA DE LAS MICROONDAS. Cuando las longitudes de onda son de orden milimétricas que es donde nace la banda del espectro se le denomina región de las microondas, estas son las mayores longitudes que se utilizan en la teledetección, la emisividad de estas microondas depende exclusivamente de las propiedades dieléctricas, la rugosidad de la superficie y la estructura interna. En esta banda, cuando se habla de teledetección se implementa dos tipos de percepción remota, ya sea la pasiva como la activa, para el caso de los sensores pasivos comúnmente se conocen como radiómetros de microonda, que son poco usados y están compuestos por una antena de alto alcance, un sistema intercambio, una o varias fuentes de energía usadas para la calibración, un filtro de banda, amplificadores y un detector. 28

36 Capítulo III. Sensores Remotos y sistemas satelitales. Para el caso de los sensores activos estos emiten su haz de microonda con el fin de capturar la reflexión emitida por el objeto. Por otra parte encontramos el más conocido, el RADAR (Radio Detection and Ranking), estos poseen gran resolución espacial y algunos con resolución vertical como horizontal. 3.3 SISTEMAS SATELITALES La plataforma o soporte y el sensor son los dos componentes esenciales de un sistema de teledetección. La plataforma es la encargada de transportar el sensor y ubicarlo para desarrollar su labor. La plataforma puede ser espacial, aérea o terrestre. A las terrestres se les conoce comúnmente como camiones, los que están equipados para el manejo con mucha exactitud del sensor remoto. Lo que respecta a las aéreas estas usualmente corresponden a aeroplanos que realizan trabajos de reconocimiento a áreas que son de difícil acceso. Finalmente los espaciales lo conforman claramente los satélites que son utilizados para lograr una cobertura de toda la superficie de la tierra. Se consideran los satélites originalmente como un cuerpo que se encarga de cubrir un movimiento alrededor de un objeto de mayor tamaño, las lunas y los artificiales son los tipos de satélites que existen. Los artificiales son construidos por el hombre. 29

37 Capítulo III. Sensores Remotos y sistemas satelitales. Un medio de comunicación con la tierra, una fuente de poder y un sistema de control son los componentes básicos de un sistema satelital. Según la órbita en la que viajan, es el principal factor para clasificar los satélites. Orbita se define como la trayectoria de movimiento de los satélites sobre la superficie terrestre, estas trayectorias varían de acuerdo a la altitud y rotación respecto al movimiento planetario. De acuerdo a la trayectoria los satélites se pueden clasificar en dos tipos de satélites: -Satélites de Órbita Polar: la trayectoria de estos satélites es de norte a sur, lo que permite que el planeta se cubra de manera global. Como estos satélites se encuentran a baja altura. Su reconocimiento del planeta es mucho más detallado. Existen órbitas semejantes a las polares, en este caso los satélites viajan en una parte de su órbita hacia el polo norte y en otra parte hacia el polo sur. Como trayectorias ascendentes y descendentes son los nombres con los que se conocen respectivamente las trayectorias. La trayectoria es ascendente si el equipo se encuentra sincronizado con el sol y la trayectoria la realizará del costado sombrío de la tierra, si es descendente lo hará del lado ilumina de la tierra. Finalmente existen satélites que han sido modificados para trasladarse en una trayectoria diferente a la polar y la geoestacionaria, que realizan trabajos más específicos dependiendo del área en que se quiera aplicar. La trayectoria que sigue un satélite de órbita polar se puede apreciar en la figura

38 Capítulo III. Sensores Remotos y sistemas satelitales. Figura 3.1 Imagen representativa de la trayectoria que sigue un satélite de órbita polar. -Satélites de Órbita Geoestacionaria: Estos satélites adquieren una velocidad la cual es semejante a la velocidad angular de rotación de la tierra. Debido a esto los satélites de órbita registran siempre información que hace referencia al mismo sector en la tierra, este satélite se puede encontrar a unos Km de altura. Este tipo de satélite es importante cuando se necesita información sobre estudios meteorológicos, esto es gracias a la altura que se encuentra la que facilita la observación del comportamiento del clima. Finalmente éstos registran información en forma continua. Como es la trayectoria de los satélites de órbita geoestacionaria, se puede ver en la figura

39 Capítulo III. Sensores Remotos y sistemas satelitales. Figura 3.2 Imagen representativa de la trayectoria que sigue un satélite de órbita geoestacionaria. 32

40 CAPÍTULO IV ESTIMACIÓN DE TEMPERATURAS SUPERFICIALES.

41 Capítulo IV. Estimación de temperaturas superficiales. ESTIMACIÓN DE TEMPERATURAS SUPERFICIALES 4.1 INTRODUCCIÓN Es de gran importancia conocer las temperaturas de las superficies (TST). Algunos procesos que se pueden entender a partir de esto son; el intercambio de energía entre la superficie de la tierra y la atmósfera, las necesidades hídricas de los suelos agrícolas y finalmente las condiciones ambientales y su propia emisividad. Lo primero será, hacer una descripción sobre lo que respecta al Landsat 7 ETM+, sus Bandas Espectrales y resolución espacial, los Niveles de corrección geométrica de las imágenes Landsat 7, las Herramientas para adquisición y procesamiento de imágenes, la Fundamentación del algoritmo de procesamiento, procesamiento de los algoritmos y finalmente los resultados obtenidos. 34

42 Capítulo IV. Estimación de temperaturas superficiales. 4.2 LANDSAT 7 ETM+ Los satélites Landsat corresponden a un conjunto de satélite, que gracias a Estados Unidos se construyeron y se pusieron en órbita. Estos satélites se utilizan para la observación de la superficie terrestre en alta resolución. La órbita a la que estos satélites giran alrededor de la tierra es circular helio sincrónica, la inclinación que adoptan es de 98.2 respecto del Ecuador, la altura a la que están estos satélites es de 705 Km, y gira en un período de 99 minutos. El diseño de la órbita de los satélites fue creado de tal forma que cruzan el Ecuador, yendo de Norte a Sur. Estos satélites se caracterizan por estar equipados con instrumentos que son específicos para la teledetección. En 1972 se dá comienzo al programa Landsat con su primer satélite el Landsat 1. Las imágenes utilizadas en este trabajo corresponden al Landsat 7. Este satélite que fue lanzado al espacio en Uno de los satélites que lleva más tiempo en órbita operando fue lanzado en 1985 y es el Landsat 5. ETM+ (Enhanced Thematic Mapper Plus), corresponde al nuevo sensor que se encuentra en el último satélite que fue lanzado en abril de La operación de este dispositivo está en manos y es administrado por la NASA (National Space and Space Administration), luego la comercialización y producción de las imágenes que se pueden obtener de este sensor están a cargo de la USGS (United States Geological Survey). 35

43 Capítulo IV. Estimación de temperaturas superficiales. Una imagen que se obtenga del Landsat 7 ETM+, está compuesta por ocho bandas espectrales, estas bandas pueden combinarse utilizando diferentes algoritmos según las aplicaciones del usuario final. Entre el satélite Landsat 5 y el Landsat 7 existe diferencia en cuanto a mejoras técnicas, por ejemplo, se adiciona una banda espectral conocida como banda Pancromática que posee una resolución de 15 m. Sus mejoras van también por el ámbito de las características geométricas y radiométricas. Además se mejoró la resolución espacial de la banda térmica que corresponde a 60 m. Landsat 7, gracias a sus nuevos avances tecnológicos, está clasificado como uno de los satélites más interesante al momento de generar imágenes a una escala de 1: Las imágenes que se adquieren a través del sensor ETM+, presentan mejor relación en el tema costo-beneficio. Esto en comparación con satélites que generan imágenes de resolución media (de 15 a 30 m), que son ofrecidas actualmente en el mercado. Landsat 5 y Landsat 7 poseen el mismo período de revolución, que corresponde a 16 días, destacándose como un factor muy importante. Además sus imágenes cubren la misma área que corresponde a 185x185 km por escena. 36

44 Capítulo IV. Estimación de temperaturas superficiales. Es muy importante conservar estos parámetros técnicos, ya que facilitan que la captura de imágenes pueda realizarse con la misma grilla de referencia (WRS2), esto permite una perfecta integración entre los datos históricos del Landsat 5, existente desde 1984 y el procesamiento de imágenes del Landsat 7. Para un estudio multitemporal, es especialmente útil utilizar los dos tipos de datos de un mismo lugar en forma simultánea Bandas Espectrales y resolución espacial La resolución espacial de 30 m del Landsat 5 (canales 1,2,3,4,5 y 7) se mantiene para las bandas del espectro visible y del infrarrojo. Los canales 6L y 6H corresponden a las bandas del infrarrojo térmico y son adquiridas con una resolución de 60 m, contra los 120 m del Landsat 5. La banda Pancromática, nueva para el Landsat 7, corresponde al canal 8 y tiene una resolución espacial de 15 m. El siguiente cuadro comparativo ilustra las diferencias de resolución espectral entre el sensor TM del Landsat 5 y el sensor ETM+ del Landsat 7. Los valores, expresado en micrones, representan los límites de longitudes de onda a los que es sensible cada banda espectral. 37

45 Capítulo IV. Estimación de temperaturas superficiales. Sensor Banda1 Banda2 Banda3 Banda4 Banda5 Banda6 Banda7 Banda8 TM (µm) ETM (µm) Tabla 4.1 Diferencias en el ancho de banda, entre el sensor TM del Landsat5 y el sensor ETM+ del Landsat 7. -La banda Pancromática (banda 8): esta banda posee una resolución espacial de 15 m. Genera imágenes que pueden ser ampliadas hasta una escala de 1: Corresponde a la mayor novedad del sensor ETM+. -La banda Termal (banda 6): el Landsat 7 tiene la capacidad de generar la banda 6 con una ganancia alta y una ganancia baja. Esto permite tener opciones para el análisis y sus respectivas aplicaciones. Entre estas aplicaciones se encuentra la medición relativa de la temperatura radiante o un cálculo de temperatura absoluta. 38

46 Capítulo IV. Estimación de temperaturas superficiales Niveles de corrección geométrica de las imágenes Landsat 7 Para todos los satélites que se encuentran disponibles comercialmente, las correcciones del sistema se hacen con algoritmos de rectificación de la imagen original tomada por el satélite. Estas son aplicadas en forma automática en la estación donde son recepcionadas las imágenes. Para esto se usan parámetros espaciales contenidos en los archivos descriptores de la imagen (posicionamiento y efemérides del satélite). Estos algoritmos, consiguen minimizar las variaciones espaciales presentes en la imagen en su estado original. También existen correcciones del ángulo de curvatura terrestre, variaciones de velocidad, altura del satélite y desplazamientos orbitales. Estas imágenes que entrega el Landsat 7 están disponibles en 3 niveles de corrección geométrica: -Nivel 4: en este nivel la corrección es básica, la imagen es radiométrica y geométricamente corregida de forma sistemática. -Nivel 5: las correcciones en este nivel también consisten en una imagen con correcciones sistemáticas, con la diferencia que se georeferencian utilizando las efemérides del satélite. Los algoritmos de corrección modelan la posición del satélite y la geometría del sensor a través de datos que una computadora a bordo del satélite graba sobre la captura. 39

47 Capítulo IV. Estimación de temperaturas superficiales. Altitud, posición del satélite, y parámetro del satélite, descrito en el archivo Payload Correction Data (PCD) y en el archivo de Calibration Parameter File (CPF), son los componentes fundamentales usados para la generación de productos nivel 5 y garantizan la fidelidad geométrica general de la imagen. -Nivel 6: en este nivel se exige la intervención adicional de un operador, ya que el proceso no es automático ni ejecuta una corrección sistemática. También existen otros dos niveles para la corrección geométrica que se conocen como: -Ortoimagen: Para este nivel se necesita un operador que intervenga sobre la imagen corregida, esto con puntos de control utilizando un Modelo Digital de Elevaciones (DEM), el que corrige todas las distorsiones. En resumen el proceso consiste en una ortoimagen georreferenciada a la proyección cartográfica deseada. -Imagen de Fusión (Merge): este nivel consiste en una mezcla de resoluciones espaciales de buena calidad, esta se da entre la excelente resolución espectral del Landsat 7 y la banda pancromática. Los factores que influyen en una correcta interpretación de la información, son los atributos de textura y color que provienen de las imágenes satelitales. 40

48 Capítulo IV. Estimación de temperaturas superficiales. Para discriminar áreas que presentan variación relevantes es fundamental lo descrito anteriormente, un ejemplo de esto son los tipos de vegetación y especies, patrones de uso, interpretación que tiene relación con la morfología y la ocupación del suelo Formatos y Soportes Existentes El Landsat 7 entrega sus imágenes en formato digital. Cada imagen cubre 185x185 km (escena completa). Bandas Longitudes de onda Aplicaciones -Mapeo de aguas costeras -Diferenciación entresuelo y vegetación (azul) -Diferenciación entre vegetación conífera y decidua. - Índice de vegetación Calidad de agua. (verde) -Absorción de la clorofila. -Diferenciación de especies vegetales (rojo) -Aéreas urbanas, uso de suelo. -Agricultura. -Calidad de agua (infrarrojo cercano) -Delineamiento de cuerpos de agua. -Mapeo geomorfológico. -Mapeo geológico. -Áreas de incendios. -Áreas húmedas. -Agricultura. -Vegetación. 41

49 Capítulo IV. Estimación de temperaturas superficiales. -Medidas de humedad. -Corrientes marinas (infrarrojo medio) -Propiedades termales del suelo. -Otro mapeos térmicos u otros. -Mapeo de stress térmico en plantas. 6 -Corrientes marinas (infrarrojo termal) -Propiedades termales del suelo. -Otros mapeos térmicos (infrarrojo medio) -Identificación de minerales. -Mapeo hidrotermal (pancromático) -Canal pancromático. Catastro rural, infraestructuras. -Ubicación de centros poblados, hidrología, vías. 42

50 Capítulo IV. Estimación de temperaturas superficiales. 4.3 HERRAMIENTAS PARA ADQUISICIÓN Y PROCESAMIENTO DE IMÁGENES Glovis USGS Global Visualization Viewer (GloVis) es un buscador en línea que se caracteriza por su fácil uso y rapidez, a demás es una herramienta para seleccionar el satélite deseado y datos aéreos. En la figura 4.1 se muestra la página de inicio de GLOVIS. Su visor permite un fácil acceso para ver imágenes que son propiedad de EROS (Earth Resources Observation and Science Center). A través de una pantalla donde está la grafica del mapa, el usuario puede navegar para ver escenas de lugares adyacentes o seleccionar una nueva área de interés. GloVIs también ofrece características adicionales, tales como límites de cobertura de nubes, límites de fecha, muestra el mapa especificado por capa, mantenimiento de la lista de escenas y el acceso a los metadatos. Una interfaz de pedidos se proporciona para los datos que tienen opciones de tratamiento disponible. Y de la misma forma existe una interfaz de transferencia que se proporciona para los conjuntos de datos que están disponibles sin costo. En este trabajo se utilizaron imágenes obtenidas a partir del Landsat 7. El archivo que contenía la imagen fue descargado de GloVis. Dentro del archivo existe una imagen para cada banda espectral y los metadatos. 43

51 Capítulo IV. Estimación de temperaturas superficiales. De los metadatos se obtiene información general, como la fecha de obtención de la imagen, latitudes, longitudes, etc. Para mayor información sobre algunas aplicaciones de GLOVIS, dirigirse al ANEXO A. Figura 4.1 Página de inicio de USGS Global Visualization Viewer. 44

52 Capítulo IV. Estimación de temperaturas superficiales ENVI Introducción a ENVI ENVI, entorno para visualización imágenes (Environment for Visualizing Images), corresponde a un sistema que se encarga de procesar imágenes. Está diseñado para realizar análisis multiespectral de los datos que se obtienen a partir de la teledetección desde aviones y satélites. ENVI se caracteriza por ser un software muy novedoso y potente, su fácil uso permite presentar y analizar aquellas imágenes que son de cualquier tamaño y tipo de datos en un amplio rango de plataformas. El procesamiento de imágenes en ENVI se basa en ficheros y bandas. Se puede trabajar con ficheros de imágenes enteras, bandas individuales, o ambas. Al abrirse un fichero de entrada, se encuentra disponible cada banda espectral para todas las funciones del sistema. Al tener múltiples ficheros de entrada disponibles, se puede fácilmente seleccionar bandas de diferentes ficheros para hacer uso de ellas en forma individual o procesarlas todas juntas. Este software incluye a demás herramientas para extraer espectros, usar librerías espectrales, o para analizar imágenes de alta resolución espectral. 45

53 Capítulo IV. Estimación de temperaturas superficiales. Este entorno para la visualización de imágenes está completamente escrito en IDL (Interactive Data Lenguage), Lenguaje de datos Interactivo. Este potente lenguaje de programación está basado en matrices, que proporcionan un procesamiento de imágenes integrado, grandes capacidades de visualización y herramientas de interfaz gráfica de usuario (GUI) fáciles de usar. Su principal aplicación en este trabajo fue que a través de este software se determinaron valores de temperatura de la misma imagen que se utilizó en Matlab, con el fin de realizar comparación en los resultados Conversión de banda térmica del Landsat 7 ETM+ a temperatura. El sensor Enhanced thematic Mapper Plus (ETM+) adquiere datos de temperatura y convierte esta informacion a número digitales (DN) con un rango entre 0 y 255. Esta conversión de números digitales a grados kelvin es posible realizando dos pasos en ENVI. El primer paso es convertir los números digitales que posee la imagen por pixel, en radiancia. Este proceso se lleva a cabo usando el bias y los valores de ganancia especificados para cada escena con la que se esté trabajando. El segundo paso consiste en convertir la radiancia en grados Kelvin. 46