TEMA 2. FUENTES DE INFORMACIÓN AMBIENTAL 0. Introducción. 1. Sistemas de determinación de posición por satélite (GPS). 2. Fundamentos, tipos y aplicaciones. 3. Teledetección: fotografías aéreas, satélites meteorológicos y de información medioambiental. 4. Interpretación de fotografías aéreas. 5. Radiometría y sus usos. 6. Programas informáticos de simulación medioambiental. CTM_Tema 2_CFGS 1
TEMA 2. FUENTES DE INFORMACIÓN AMBIENTAL. 0. INTRODUCCIÓN. Para poder gestionar adecuadamente nuestro medio ambiente hemos de conocerlo lo mejor posible. Las nuevas tecnologías ayudan tanto en ese conocimiento, como en el cambio de paradigma que se ha producido. Cuando estudiábamos nuestro planeta desde su superficie nos parecía ilimitado y con recursos infinitos (visión del cowboy); al poder verlo desde el espacio (visión del astronauta) hemos tomado conciencia de su finitud y de la limitación de nuestros recursos para una población en aumento exponencial. A lo largo de este tema, tan sólo queremos presentar algunas de las herramientas fundamentales para el estudio del medio y comprender la aportación específica de cada una de ellas. El objetivo es, por tanto, confeccionar un glosario con las definiciones de cada una de esas tecnologías y comprender como trabajan. 1. SISTEMAS DE DETERMINACIÓN DE POSICIÓN POR SATÉLITE (GPS) El Global Positioning System o Sistema de Posicionamiento Global (más conocido con las siglas GPS, aunque su nombre correcto es NAVSTAR- GPS1 ) es un sistema global de navegación por satélite (GNSS) que permite determinar en todo el mundo la posición de un objeto, una persona, un vehículo o una nave, con una precisión hasta de centímetros, pero lo habitual son unos pocos metros. Aunque su invención se atribuye a los gobiernos francés y belga, el sistema fue desarrollado por los EEUU en 1965, al principio con fines militares, estando disponible para usos civiles desde 1993. Actualmente es operado por el Departamento de Defensa de los EEUU. El GPS funciona mediante una red de 27 satélites (24 operativos y 3 de respaldo) en órbita sobre el globo, a 20.200 km, con trayectorias sincronizadas para cubrir toda la superficie de la Tierra. Cada aparato receptor, denominado también GPS, recibe señales de al menos tres de los satélites indicando la posición y, por triangulación esférica, nos permite conocer datos sobre la latitud y la longitud de cualquier punto geográfico donde nos encontremos, con una precisión de +/- 1m. También son capaces de determinar la velocidad y la dirección en la que nos movemos. CTM_Tema 2_CFGS 2
ACTIVIDADES Para conocer más sobre el GPS y sus aplicaciones, puedes consultar la página web de la NASA, en la que puedes hacer una lectura detallada de las aplicaciones del sistema: http://www.gps.gov/spanish.html 2. FUNDAMENTOS, TIPOS Y APLICACIONES. Cuando se desea determinar la posición, el receptor GPS en tierra que se utiliza para ello, localiza automáticamente como mínimo tres satélites de la red (y un cuarto para determinar la altitud), de los que recibe señales indicando la posición y datos del reloj de cada uno de ellos (en el sistema GPS los satélites constan de precisos relojes atómicos de cesio), mediante señales de radio. Con base en estas señales, el aparato sincroniza el reloj del GPS y calcula el retraso de las señales; es decir, la distancia al satélite. Dicho de otro modo, con los satélites se mide la distancia que los separa del objeto. Para ello, hay que efectuar el cálculo del producto de la velocidad de la señal de radio que emiten (300.000 km/s) por el tiempo que tarda en recogerse en el receptor GPS. Los relojes de los satélites y del receptor GPS deben estar sincronizados para que no haya errores en la distancia medida. Hay, básicamente, tres sistemas GPS, que se diferencian a efectos prácticos en el grado de exactitud del posicionamiento. El estadounidense ya mencionado sería el primero. A finales de los años 80, la Unión Soviética puso en funcionamiento un sistema de navegación global por satélite similar al GPS americano, el sistema GLONASS, que consta de 24 satélites dispuestos en tres órbitas. En 2005, la Unión Europea inició el lanzamiento de un sistema global de navegación por satélite llamado Galileo, como alternativa civil. Se trata de una flota de 30 satélites que se situarán en tres órbitas circulares alrededor de la Tierra a una altitud de 23.000 km Resultan útiles para la navegación por tierra, mar y aire; para el rescate de personas durante los desastres, para realizar mapas, localizar recursos como explotaciones minerales, etc.; seguimiento de icebergs, posicionamiento submarino... Referido a sus aplicaciones medioambientales, se pueden citar como más significativas: aplicaciones en cartografía, inventario de recursos naturales, gestión de espacios naturales protegidos, protección medioambiental (demarcación de zonas que han sufrido impacto ambiental), cartografía de riesgos, estudios faunísticos, botánicos y de biodiversidad (sus pequeñas dimensiones actuales han permitido su instalación en el interior del cuerpo de los animales en peligro de extinción, permitiendo su seguimiento). CTM_Tema 2_CFGS 3
3. TELEDETECCIÓN: FOTOGRAFÍAS AÉREAS, SATÉLITES METEOROLÓGICOS Y DE INFORMACIÓN MEDIOAMBIENTAL. La teledetección o percepción remota (en inglés Remote Sensing) incluye todo conjunto de técnicas que permiten la observación, el análisis y la interpretación de fenómenos terrestres y planetarios mediante la obtención y tratamiento de imágenes tomadas a distancia. En general, al hablar de teledetección, se suele hacer referencia a dos tipos de técnicas: la fotografía aérea o fotointerpretación, y la teledetección espacial. La fotografía aérea constituye la primera técnica de teledetección empleada en las Ciencias de la Tierra. Las imágenes son tomadas por sensores (cámaras fotográficas) ubicados en plataformas que vuelan a baja altura (aviones convencionales). Las imágenes pueden ser en blanco y negro o en color. Existen fotografías oblicuas o inclinadas, pero, para estudios relacionados con Ciencias de la Tierra, se suelen emplear las llamadas fotografías aéreas verticales. En estudios que requieren una visión tridimensional del relieve se utilizan pares estereoscópicos, que son fotografías que se superponen parcialmente. Tradicionalmente, la fotointerpretación clásica obtiene las imágenes de radiaciones visibles o infrarrojas, y utiliza un soporte de papel (fotografía en papel). Sigue constituyendo una herramienta fundamental de los estudios ambientales. En la actualidad, con las técnicas digitales, la fotografía aérea presenta muchas más posibilidades de obtención y tratamiento posterior de la imagen, acercándose en muchos aspectos a la teledetección espacial. Se denominan ortofotografías u ortofotomapas las fotografías en las que se han eliminado las deformaciones y las diferentes partes mantienen la misma escala, algo parecido a lo que ocurre en un mapa. Los sistemas de teledetección, basados inicialmente en la fotografía aérea, dieron un salto cualitativo al pasar de los aviones a los satélites y, posteriormente, de la fotografía analógica a la digital que puede ser manipulada a conveniencia en función de los estudios a realizar. Hoy en día se utilizan numerosas radiaciones del espectro para tomar diferentes tipos de imágenes: visible (RGB); microondas (radar); infrarrojo (próximo, medio o térmico). Los satélites suelen ser multibanda, de modo que recogen información en diferentes longitudes de onda. Esta información será tratada después digitalmente y mostrada en forma de mapas con en blanco y negro, color real o falso color según los elementos del medio a estudiar Satélites meteorológicos y de información ambiental: los satélites que se usan en meteorología y en información y seguimiento ambientales pueden ser: - Satélites polares y de órbita baja (entre 200 y 1200 kilómetros). Se mueven alrededor de la Tierra pasando por los polos. Dada su altitud, permiten una observación de detalle de la superficie terrestre, por lo que suelen emplearse en la obtención de datos e información geográfica y ambiental. Algunos de éstos son los de la serie Landsat estadounidense y el Envisat europeo. CTM_Tema 2_CFGS 4
- Satélites geoestacionarios y de órbita alta (35800 kilómetros). Están posicionados de manera fija sobre un punto de la zona ecuatorial. Dada su altitud, suelen tener aplicaciones meteorológicas (estudio del tiempo atmosférico y del clima). Son ejemplos de este tipo los de la serie Meteosat de la Agencia Espacial Europea. ACTIVIDADES Puedes consultar la página: http://concurso.cnice.mec.es/cnice2006/material121/index.htm En ella puedes conseguir la siguiente información: en qué consiste la teledetección, que elementos son necesarios, como se consigue dar color a las fotografías aéreas, las diferencias entre color real y artificial. Después trabajaremos algunas de las actividades que se proponen en la propia página. 4. INTERPRETACIÓN DE FOTOGRAFÍAS AÉREAS. Como se ha mencionado anteriormente, los estudios que requieren una visión tridimensional del relieve utilizan pares estereoscópicos, fotografías que se superponen parcialmente. Obtención de pares estereoscópicos: un avión realiza pasadas en paralelo sobre el terreno, mientras va tomando fotos que se superponen parcialmente tanto secuencialmente como en las pasadas paralelas. De esta forma, cada par estereoscópico presenta una parte de la imagen común, aunque fotografiada desde una posición ligeramente distinta. CTM_Tema 2_CFGS 5
Al observar ambos fotogramas con cada ojo mediante un aparato visor llamado estereoscopio, se obtiene una recreación en relieve de la imagen. Gracias a él cada ojo mira una de las fotografías tomadas desde un ángulo ligeramente diferente y el cerebro integra ambas imágenes. En realidad, reproduce la forma de visión en relieve de la vista humana. 5. RADIOMETRÍA Y SUS USOS. La radiometría es la ciencia que se ocupa del estudio de la medida de la radiación electromagnética. Su campo abarca todas las longitudes de onda del espectro electromagnético (frecuencias entre 3 10 11 y 3 10 16 Hz o longitudes de onda de entre 0,01 y 1000 micrométros), al contrario que la fotometría que solo se ocupa de la parte visible del espectro, la que puede percibir el ojo humano. La radiometría es importante, además de para las ciencias ambientales, en astronomía, especialmente en la Radioastronomía y en Geofísica. La medida cuantitativa de la intensidad de la radiación se hace por medio de diferentes tipos de detectores que convierten parte de la radiación en calor o en una señal eléctrica, con termopares o fotodiodos. Las radiaciones electromagnéticas se clasifican por su longitud de onda (la distancia que hay entre dos crestas sucesivas de una onda), que se mide en metros. CTM_Tema 2_CFGS 6
Para la radiación solar es más útil el nanómetro (nm), que equivale a 10-9 metros. La frecuencia (cantidad de oscilaciones por segundo) es una medida inversa de la longitud de onda y se suele medir en hercios (Hz) (que equivale a ciclos por segundo). Cuanto mayor es la longitud de onda (o menor su frecuencia), menos energía transporta la radiación; por ejemplo, las radiaciones ultravioletas (UV) contienen mucha energía y su longitud de onda es más corta, mientras que las infrarrojas poseen poca energía y su longitud de onda es más larga. La radiación solar incluye radiaciones electromagnéticas de tipo ultravioleta, visibles e infrarrojas (IR), aunque la mayor parte de las ultravioleta son absorbidas en la atmósfera y apenas llegan a la superficie terrestre. Como se ha comentado, por lo general, los sensores de los satélites son multibanda, consiguiéndose así en cada medición información procedente de varias radiaciones distintas. De esta forma se obtienen imágenes diferentes de un mismo territorio que luego se pueden combinar. La unidad mínima de un territorio detectada por un sensor es su resolución espacial (m x m), y corresponde a un pixel o celdilla cuadrada en la imagen final. La resolución espacial depende de la calidad del sensor y de la distancia a la que se encuentre de la superficie de medida, e informa sobre el tamaño de los objetos identificables por el sensor y observables en la imagen final. Al tratarse de información digital, cada pixel es convertido en un valor numérico para cada banda de radiación medida. Cuanto mayor sea la variedad de niveles de intensidad que un sensor es capaz de discriminar dentro de la banda de radiación medida, mayor será su resolución radiométrica (que se mide en unidades de información o bits por pixel). Estos valores se pueden convertir en intensidades de gris, proporcionando imágenes visibles en blanco y negro de cada banda de radiación. También pueden obtenerse imágenes en color. Los satélites de recogida de información, además de contar con cámaras digitales, suelen contar con sensores de radiación, lo que permite recoger también información sobre la energía absorbida o desprendida por diferentes localizaciones. Estos datos pueden ser útiles para diversos estudios: cambio climático, estado y evolución de zonas forestales, seguimiento de la evolución de los glaciares, etc. 6. PROGRAMAS INFORMÁTICOS DE SIMULACIÓN MEDIOAMBIENTAL. Finalmente, una herramienta básica en el estudio de nuestro medio, dada su enorme complejidad, es la elaboración de modelos informáticos de simulación. Se trata de programas informáticos enormemente complejos que nos permiten simular el funcionamiento de un sistema concreto para analizar su comportamiento sus tendencias generales, para facilitar la predicción de pautas y la toma de medidas de gestión. Buen ejemplo de ello son los modelos de simulación del clima que permiten la predicción meteorológica y el estudio del cambio climático; los modelos de dinámica oceánica con CTM_Tema 2_CFGS 7
que estudiamos el desarrollo de fenómenos como El Niño o el desarrollo de tsunamis; o modelos del funcionamiento global del planeta como el World-2 y su sucesor el World- 3. Se emplean para estudiar sistemas complejos en los que existen múltiples datos y variables, con muchas interacciones entre sus componentes. Aunque existen varias modalidades para elaborar estos programas, un método básico es el siguiente: se determina el proceso que se va a estudiar y las condiciones o variables iniciales, lo que constituye una simulación del escenario concreto a partir del que se establecen diferentes hipótesis posibles sobre la evolución temporal del proceso. Se pueden simular varios escenarios de partida y su evolución, de manera que, una vez comparados y contrastados, nos proporcionarán conclusiones válidas y predicciones fiables. Los Sistemas de Información Geográfica (SIG) son sistemas informáticos en los que, a partir de datos muy diversos (población, usos del suelo, vegetación, vías de comunicación, estructuras geológicas, etc.) y su organización geográfica, realizan la representación gráfica en mapas o en imágenes, permitiendo su análisis y manipulación, así como una actualización continua. Los datos anteriores se representan en capas superpuestas. La información contenida en un SIG se distribuye dividiendo el espacio en una serie de celdillas o teselas, que están determinadas por sus coordenadas geográficas, de forma que cada punto del territorio contiene la información correspondiente de todos los datos anteriormente expuestos, específicos de dicho punto. También sirven para realizar simulaciones de lo que ocurriría en un territorio si se llevara a cabo la modificación de alguno de los parámetros correspondientes a alguna de las capas del mismo. Los SIG son muy utilizados para los estudios del medio ambiente: desde cartografía temática (mapas de vegetación, usos del suelo, riesgos, etc.) hasta la ordenación territorial, estudios de impacto ambiental o la gestión de espacios naturales. CTM_Tema 2_CFGS 8