LOS SENSORES REMOTOS
G174: FOTOINTERPRETACIÓN Y TELEDETECCIÓN
Domingo F. Rasilla
2025-02-11
💡 OBJETIVOS DE LA UNIDAD:
Los objetivos básico son los siguientes:
► Conocer los diferentes tipos de sensores disponibles en Teledetección.
► Saber diferenciar los sensores pasivos de los activos.
💡 MATERIALES PARA LA ACTIVIDAD:
En esta unidad no son necesarios materiales adicionales.
INTRODUCCIÓN
Los apartados anteriores han estado orientados a la descripción de todos aquellos conceptos necesarios para comprender los diversos procedimientos que fundamentan la obtención remota de información espacial, cubriéndose los primeros componentes de esse proceso (fuente de energía e interacciones con la atmósfera, con la superficie terrestre y con los objetos en ella existentes). A continuación se analizarán con más detalles las características de los sensores y de las plataformas que los portan, así como los datos que recopilan. También se revisará cómo se procesa la información, una vez registrada en el sensor.
El desarrollo de la tecnología aeroespacial ha propiciado un desarrollo acelerado de las diferentes plataformas (satélites, aeronavas, drones) y de los sensores. Hoy en día, las aeronaves continúan jugando un gran papel dada su flexibilidad en términos de altitud, programación y complementación de sensores. De hecho, es frecuente que sean utilizadas para probar diseños de sensores antes de que sean instalados en satélites. Dependiendo de los requerimientos de información de los usuarios y de los recursos disponibles, las aeronaves utilizadas oscilan desde pequeñas avionetas que vuelan a baja altura, hasta reactores para vuelos de gran altitud.
La primera condición para que un sensor registre correctamente la energía reflejada de forma remota debe estar instalado en una plataforma estable, de la que existen numerosas opciones: un globo, un avión, un satélite etc…
► Los sensores terrestres registran información más detallada de la superficie terrestre en comparación con la recopilada de los sensores aerotransportados. Por ello, se suelen usar para caracterizar de una manera más detallada los objetos que están siendo evaluados por otros sensores, facilitando su reconocimiento y caracterización. Estos sensores se pueden colocar en una escalera, un andamio, un edificio alto, un camión grúa, una grúa, etc.
► Los sensores aerotransportados, también conocidos como plataformas aéreas son fundamentalmente aeronaves de ala estable, aunque ocasionalmente se utilizan helicópteros; todos ellos se desplazan dentro de la atmósfera, a diferentes altitudes. En los márgenes de la atmósfera terrestre se sitúan los satélites, si bien también existen datos procedentes de naves espaciales (por ejemplo, el transbordador Shuttle o la nave Skylab). Los satélites son objetos que giran alrededor de otro objeto, en este caso, la Tierra, siguiendo una órbita que cubren de forma continua la superficie terrestre. Por ello, no sólo se utilizan para la teledetección, sino que tienen otras aplicaciones, como la comuniciación, la telemetría etc…
► En las últimas décadas la panoplia de plataformas se ha incrementado con las aeronaves no tripuladas, más comúnmente conocidas como drones. Como su nombre indica, es cualquier tipo de aeronave que no tenga un piloto humano a bordo; su control puede realizarse de forma remota o autónoma, mediante dispositivos a bordo del aparato. Estas plataformas pequeñas y relativamente asequibles son muy utilizadas para el seguimiento de incendios y desastres naturales, observaciones de vida silvestre y agricultura de precisión por su bajo costo y resolución espacial muy alta, pudiendo portar desde cámaras digitales ópticas y sensores multiespectrales, gracias a su miniaturización y precio asequible.
En España, el organismo encargado de regular el uso de drones es la Agencia Estatal de Seguridad Aérea (AESA). Con respecto a la Normativa, actualmente, han comenzado a aplicarse los Reglamentos Europeos RE 2019/947 y RD 2019/945. Para drones a partir de 250 gramos, es obligatorio obtener un certificado que acredite un mínimo de conocimientos, y que permitirá el vuelo de drones en las diferentes categorías establecidas. Así, para volar drones en la categoría abierta de la nueva Normativa UAS, es obligatorio superar el correspondiente examen en AESA, que puede ser de Nivel 1 o Nivel 2, dependiendo del riesgo de la operación. Y, para volar en categoría específica, será necesario superar el examen de AESA de Nivel 3, para operar en los escenarios estándar contemplados en ella.
En líneas generales se establecen las siguients limitaciones:
► El dron, siempre al alcance visual del piloto (excepto en categoría específica bajo STS BVLOS).
► No se debe sobrepasar los 120 m de altura en vuelo ni volar a menos de 8 km de cualquier aeropuerto, aeródromo o espacio aéreo controlado.
► No es obligatorio el seguro de responsabilidad civil, pero es muy recomendable disponer de uno. El piloto será el responsable de los posibles daños que cause la aeronave.
► El dron será identificado con una placa identificativa ignífuga que contendrá datos como el nombre del fabricante, el modelo, número de serie (si corresponde) y los datos de contacto del piloto.
► Por último, las imágenes capatadas por el dron deberán respectar la intimidad de los individuos que pudieran aparecer, y su difusión pública no vulnerará la Ley de Protección de Datos.
Volviendo a los sensores, éstos también pueden distinguirse entre activos y pasivos:
► Los sistemas de detección remota que miden la energía emitida por el sol y refejada por los objetos y la superficie terrestre se denominan sensores pasivos. Estos sensores sólo registran esa energía durante el tiempo en que el Sol está iluminando la Tierra, es decir, por el día, mientras que la energía que emite naturalmente la Tierra (como el infrarrojo térmico) se puede detectar de día o de noche. La mayoría de los sistemas pasivos utilizan una parte del espectro en la que las longitudes de onda están entre los 0,3 micrómetros (el ultravioleta que puede ser registrado en las fotografías abarca desde 0,3 hasta 0,395) y 15 micrómetros (el infrarrojo reflejado abarca de 0,7 a 3 micrómetros y el infrarrojo térmico de 3 a 15); es decir, son sistemas que pueden registrar la parte superior de la zona ultravioleta, todo el espectro fotográfico y parte del infrarrojo.
► Los sensores activos, por otro lado, proporcionan su propia fuente de energía. El sensor emite radiación hacia el objeto a investigar; la radiación reflejada por ese objeto es detectada y medida por el sensor. Entre las ventajas de los sensores activos se incluye la capacidad de obtener mediciones en cualquier momento temporal, independientemente de la hora del día o la estación astronómica. Los sensores activos se pueden usar para examinar longitudes de onda que el Sol no proporciona suficiente energía, como las microondas, o para controlar mejor la forma en que se ilumina un objeto. Sin embargo, los sistemas activos requieren la generación de una cantidad bastante grande de energía para iluminar adecuadamente los objetivos. Algunos ejemplos de sensores activos son un fluorosensor láser y un radar de apertura sintética (SAR).
Fuente: https://www.researchgate.net/figure/Differences-between-passive-and-active-sensors_fig1_339726853 [accessed 20 Dec, 2022]
Igualmente, cabe distinguir varios tipos de sensores.
► Para el diseño de los sensores electro-ópticos, debe tenerse en cuenta que los sensores pasivos registran una energía que ha atravesado la atmósfera utilizando las “ventanas atmosféricas”, para evitar, como se ha señalado antes, su dispersión por diversos agentes (polvo atmosférico, vapor de agua etc…). Dado que, cuanto más corta es la longitud de onda, mayor es la dispersión (la luz azul se dispersa unas seis veces más que la roja), los sensores están diseñados para adquirir las longitudes de onda más largas. Sin embargo, esto choca con el hecho de que, cuanto menor es la longitud de onda, más pequeño es el tamaño de los objetos que pueden ser registrados. Por ello, los resultados óptimos se alcanzan cuando se logra un equilibrio entre el registro de longitudes de onda suficientemente cortas para diferenciar detalles, pero lo suficientemente largas para no ser dispersadas por la atmósfera.
En un sistema óptico-electrónico la radiancia recibida por los componentes ópticos se descompone en varias longitudes de onda, cada una de ellas se envía a un conjunto de detectores sensibles a esa región del espectro que la amplifican y la convierten en señal eléctrica y finalmente en un valor numérico conocido como Nivel Digital (ND). Estos valores numéricos pueden convertirse otra vez a valores de radiancia conociendo los coeficientes de calibrado.
Además de las cámaras fotográficas, que recogen información procedente del espectro visible, los sensores electro-ópticos disponen de un instrumental que es sensible a determinadas longitudes de onda, convirtiendo la energía captada en señales eléctricas, que se vuelcan en bandas magnéticas. Esta información es posteriormente tratada y convertida en imágenes bidimensional, que tienen una apariencia similar a las fotografías convencionales. En este grupo se incluyen también los sensores capaces de registrar la energía correspondiente al infrarrojo térmico, que captan las diferencias de temperatura de los objetos. La radiación recibida por el sensor debe hacerse posteriormente visible, para lo cual se le asigna un color distinto a cada sector de calor, utilizando generalmente la gama de los azules para las temperaturas bajas y la de los rojos para las altas.
Existen dos grandes tipos de sistemas óptico-electrónicos: los radiómetross de barrido y los radiómetros de empuje
Los radiómetros de barrido son los más habituales en teledetección. Disponen de un espejo móvil que oscila perpendicularmente a la dirección de la trayectoria permitiendo explorar una franja de terreno a ambos lados de esta. Cada movimiento del espejo supone que se envíe información de una franja distinta al conjunto de sensores.
Los radiómetros de empuje eliminan el espejo oscilante al disponer de una cadena con un gran número de detectores de manera que se cubre todo el campo visual del sensor. Ello permite aumentar la resolución espacial y reducir los errores geométricos ya que se ha eliminado la parte móvil, y poco robusta, de los detectores de barrido. Como contrapartida resulta bastante compleja la calibración de todos los sensores al mismo tiempo para que se comporten de forma homogenea. Estos problemas son especialmente graves en el infrarrojo. En el futuro se dispondrá de sensores capaces de captar toda la imagen, como una matriz bidimensional, al mismo tiempo; de esta forma se reducirán los problemas de tipo geométrico
También cabe mencionar los sensores de microondas, que también pueden ser:
► Activos, que emiten ondas ultrasónicas de longitud de onda entre 6 centímetros y un metro aproximadamente y registran la señal reemitida por los objetos de forma analógica o digital (en este último caso existe la posibilidad de tratar posteriormente la información, de manera similar a como se hace con la obtenida con sensores electro-ópticos);
► Pasivos, que detectan la radiación de microondas que emite la superficie de la tierra (longitudes de onda entre 0,15 y 30 centímetros).
Tanto los sistemas activos de microondas como los pasivos presentan la particularidad de que pueden ser usados con independencia de las condiciones climáticas, dado que las longitudes de onda con las que operan atraviesan sin dificultad las nubes y el vapor de agua.
Los radiómetros de microondas están compuestos por una antena que actúa como elemento receptor y amplificador de la señal de microondas (que es muy débil) y un detector. En este tipo de sistemas, la resolución espacial es inversamente proporcional al diámetro de la antena y directamente proporcional a la longitud de onda. Además se necesitan tamaños de pixel lo suficientemente grandes para recoger una señal de radiación lo suficientemente amplia. Por tanto la resolución espacial es pequeña y sólo pueden aplicarse en estudios globales. El radar trabaja en una banda comprendida entre 1 mm y 1 m. Se basan en el principio de que las microondas artificiales enviadas en una dirección determinada chocan con los objetos y son dispersadas. La energía dispersada se recibe, se amplifica y se analiza para determinar la localización y las propiedades de los objetos. Puesto que puede medirse también el tiempo que tarda un pulso de radiación en ir y volver, puede conocerse la distancia recorrida y generar así modelos digitales de elevaciones (aunque con problemas ya que quedan zonas de sombra en áreas abruptas). Debido a su capacidad para trabajar sean cuales sean las condiciones atmosféricas su uso se ha extendido considerablemente, especialmente en zonas con cobertura nubosa persistente.
En función de la orientación con la que el sensor capta las imágenes se distingue entre sensores de:
► Orientación vertical, habitual en satélites de resolución espacial baja (meteosat) o media (Landsat).
► Orientación oblicua, típica del radar.
► Orientación modificable, aparece en los sensores de alta resolución a partir del SPOT-IHV. Permite mantener una elevada resolución espacial y tener una resolución temporal (tiempo de revisita) tambien elevada. Ya no se toman imágenes de toda la superficie terreste de forma sistemática sino que el sensor es orientado por encargo. El inconveniente es que es difícil encontrar imágenes a posteriori, ya que sólo se toman aquellas imágenes que se han encargado previamente.
Fuente: https://www.researchgate.net/figure/Differences-between-passive-and-active-sensors_fig1_339726853 [accessed 20 Dec, 2022]