Los satélites y Resoluciones

Un satélite es una nave espacial fabricada en la Tierra o en otro lugar del espacio y enviada en un vehículo de lanzamiento, un tipo de cohete que envía una carga útil al espacio. A continuacion se presentan los diferentes satelites de captura de imagenes satelitales y como se comportan con con su resolucion.

Landsat:

El sistema Landsat, de origen norteamericano, es el sistema más conocido, productivo y el primero usado exclusivamente para la observación de los recursos terrestres. Este programa en su origen fue denominado ERTS ( Earth Resource Technology Satellite), es operado actualmente por el EROS Data Center del USA Geological Service. El primer satélite del sistema fue puesto en órbita el 23 de Julio del año 1972 y desde esa época han sido 7 los satélites de la serie. El Landsat 6 no pudo ser puesto en órbita. Están operacionales Landsat 5 y el último Landsat 7 fue lanzado en Abril de 1999, del cual se reciben imágenes con algunas dificultades en la actualidad debido a la rotura de uno de sus sensores.

Los satélites Landsat han usado y usan distintos tipos de sensores multiespectrales de barrido óptico electrónico. El primero es el Multi-Spectral Scanner (MSS) de 80 metros de resolución, que adquiere imágenes en las bandas azul, verde, rojo e infrarrojo cercano. El segundo sensor es Thematic Mapper, de 30 (28,5 metros efectivos) metros de resolución, que recoge datos en siete bandas: azul, verde, rojo, infrarrojo cercano, dos infrarrojos medios y un infrarrojo térmico. A partir de Landsat 7, se posibilitó recibir una banda pancromática de una resolución de 15 metros. Los satélites Landsat operan en una órbita cuasi polar a una altura media de 918 Km. El satélite realiza un recorrido de una vuelta a la Tierra cada 103 minutos completando 14 órbitas por día con un desplazamiento orbital de unos 37 Km. De esta forma cubre la misma zona del planeta cada 16 días.

Las imágenes Landsat cubren una superficie de aproximadamente 180 por 180 kilómetros.

SPOT:

El sistema SPOT (Systeme pour L´Observation de la Terre) es de origen francés en colaboración con Suecia y Bélgica y opera desde 1984. Una característica particular de este satélite es su capacidad de visada lateral que permite mayor continuidad de observación temporal y la visión estereoscópica por medio de la asociación de imágenes de dos tomas en órbitas distintas. El satélite opera en órbita cuasi polar a 832 Km sobre la tierra.
Los satélites SPOT llevan dos sensores de tipo pushbroom denominados High Resolution Visible (HRV), que operan en modo pancromático y multiespectral. En modo pancromático la resolución espacial es de 10 metros y en modo multiespectral es de 20 metros. A partir del 2002 el sistema SPOT ha incorporado el denominado sistema SPOT 4, con resoluciones de 10 y 2,4 metros respectivamente. En la actualidad se encuentra en órbita el Spot-5 con resolución espacial (pancromática) variable entre 2.5 mts. y 5 mts, así como una resolución en modo multiespectral con píxel de 10 mts.

Las imágenes SPOT cubren una superficie de aproximadamente 60 por 60 kilómetros.

NOAA:

Estos satélites, de principal uso en monitoreo meteorológico, estudios oceanográficos, y /o estudios de carácter regional son de origen norteamericano y son operados por U.S. National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA). La resolución espacial del sensor que utiliza es de 1,1 Km y se usan principalmente para estudios de áreas extensas, tienen una alta resolución temporal y un amplio cubrimiento espacial.

Estos satélites son de órbita casi polar, se desarrollan a una altura de 805 km.

Ikonos y Quick Bird:

El satélite Ikonos es de origen americano y fue lanzado por primera vez en el año 1999. Son el primer emprendimiento de origen privado (Space Imaging Corporation) para la captura y distribución de imágenes de alta resolución. El QuickBird en el año 2001, también es un emprendimiento privado de la empresa Digital Globe, empresa de origen americano que lanzó el satélite.

Ambos compiten hoy por el mercado de imágenes de alta resolución.

Resoluciones:

Se denomina resolución de un sistema sensor a la capacidad de registrar, discriminando información en detalle. La resolución de un sensor depende del efecto combinado de todas sus partes. El concepto de resolución implica al menos cuatro manifestaciones:

• Resolución Espacial: está dada por el tamaño del monoelemento de imagen o píxel (que designa la proyección del detector individual sobre la superficie terrestre). Tiene un papel protagónico en la interpretación de la imagen ya que marca el nivel de detalle que ofrece. El objeto más pequeño que pueda detectarse dependerá no sólo del tamaño del píxel sino de su reflectividad.
• Resolución Espectral: indica el número y ancho de las bandas que puede discriminar el sensor.
• Resolución Radiométrica: se refiere a la sensibilidad del sensor, a su capacidad para detectar variaciones en la radiancia espectral que recibe.
• Resolución Temporal: es la frecuencia de cobertura del sensor, en otras palabras, la periodicidad con la que éste adquiere imágenes de la misma porción de superficie.

En el siguiente Cuadro  se muestra un resumen comparativo de las resoluciones de diferentes satélites y sensores remotos.

No se puede dejar de mencionar otros satélites importantes para la observación de la Tierra tales como el EROS A de Israel (píxel 1.80m), IRS de la India (píxel 5.80m), JERS de Japón (píxel 18x24m), Orb-View, Formosat (píxel 2m), Terra (equipo Aster píxel 15m). el SAC-C argentino (píxel 35m, montado en un satélite de USA) y el C-BERS chino – brasilero (píxel 20m), y los satélites de radar RadarSat de Canadá, ERS (Agencia Espacial Europea) y la serie SIR A, B, C de USA.

La energía electromagnética

La primera teoría sobre la propagación de la luz fue enunciada por Newton y se la conoce como teoría corpuscular. Según ella, las fuentes luminosas emiten luz en forma de corpúsculos muy livianos. La segunda observación sobre la naturaleza de la luz lo constituye la llamada teoría ondulatoria enunciada por Huygens y afirma que la propagación se realiza por ondas, a manera de la propagación mecánico–acústica, como por ejemplo la propagación del sonido en el aire. El medio donde se realiza esta propagación, de acuerdo a esta teoría, era el denominado “éter”.

A partir de los estudios de Maxwell y Hertz se desarrolla la teoría electromagnética donde se explican algunos fenómenos físicos no resueltos por las teorías anteriores. Si bien se mantiene la idea de un comportamiento ondulatorio, la teoría de Maxwell dice que lo que se propaga es un campo electromagnético en cambio de una vibración mecánica sobre el éter.

Los aspectos geométricos de la teledetección se basan en criterios ondulatorios, así como su interacción con la materia se apoya en los conceptos de la física cuántica de Plank (que vino a unir en el tiempo las ideas de Newton y Maxwell). Así la energía electromagnética corresponde a un “quantum” de energía (fotón) que se desplaza siguiendo un comportamiento ondulatorio.

Así, las ondas electromagnéticas constituyen un tipo especial de ondas producidas por la asociación de dos campos perpendiculares: el campo eléctrico y el campo magnético.

Las ondas electromagnéticas pueden ser modeladas como si fueran ondas sinusoidales con una longitud definida y su fórmula general es:
                                                            C= λ. F


donde: C = velocidad de la luz que corresponde a 300.000 km/s en el vacío (constante para todas las ondas electromagnéticas), λ = longitud de onda medida en metros y F= Frecuencia medida en ciclos por segundo.

La longitud de onda es la distancia existente entre dos crestas sucesivas de la onda expresada en metros y la frecuencia es la inversa del período o número de longitudes de onda que se produce en la unidad de tiempo (segundo).

Existe una gran variedad de ondas electromagnéticas que difieren en su longitud de onda y, en consecuencia en su frecuencia (puesto que la velocidad de la luz, considerada en el vacío, es constante). Entre las ondas electromagnéticas más conocidas se encuentran la luz visible proveniente del Sol, las ondas de radio, los rayos X, la luz ultravioleta, las ondas de radio, las microondas, etc. .

Al conjunto de todas las ondas electromagnéticas se lo conoce como espectro electromagnético (Figura 6.4) el cual abarca a todos los tipos, desde longitudes pequeñas (como los rayos X o la luz visible), hasta las más grandes, entre las cuales se encuentran las ondas de radio.

Dentro del espectro existen porciones que presentan comportamiento similar, cada una de las cuales se denomina banda. Entre las más frecuentes empleadas en Teledetección se encuentran:

• Espectro visible (0.4 a 0.7 μm) , que generalmente se lo separa en tres bandas: rojo, verde y azul
• Infrarrojo cercano o fotográfico (0.7 a 1.2 μm)
• Infrarrojo medio (1.3 a 8 μm)
• Infrarrojo lejano y térmico (8 a 100 μm)
• Micro ondas (> mm)4.

1. Factores que distorsionan el comportamiento de la energía electromagnética

La presencia de la atmósfera modifica el supuesto teórico de la propagación de las ondas electromagnéticas en el vacío y altera significativamente la calidad de las imágenes. Al igual que luego de un día de lluvia la visión del paisaje es más clara, lo que demuestra la presencia de la atmósfera y sus partículas en suspensión, la atmósfera entre la fuente y el sensor opera como un poderoso filtro en los caminos de ida y vuelta de la energía electromagnética. Los dos principales efectos son: absorción y dispersión atmosférica.

La dispersión de la radiación electromagnética es causada por la interacción entre esta y las partículas atmosféricas en suspensión, cuya presencia puede ser constante (oxígeno y el dióxido de carbono) o variable (partículas de polvo provocadas por el viento u otros gases provenientes de la producción industrial).

La absorción de la atmósfera funciona como un filtro que impide la transmisión de las ondas electromagnéticas a ciertas frecuencias. La consecuencia de la absorción atmosférica es tan importante que solo permite la utilización de parte del espectro de ondas emitidas por el sol. Luego, el diseño de los sensores se limita a la observación en estas bandas, también llamadas “ventanas atmosféricas”.

De toda la energía que incide sobre un objeto se cumple que la proporción del flujo incidente reflejado, absorbido y transmitido depende de la superficie y la materia que lo compone. Además se puede demostrar que la proporcionalidad varía con la longitud de onda y esta característica es conocida como firma espectral.

La firma espectral consiste en valorar el hecho de que diferentes objetos de la superficie terrestre se caracterizan por una reflectancia específica, propia de cada uno de ellos. Esta reflectancia depende de su composición química y su estructura física. La teledetección aprovecha esta propiedad específica para lograr identificar los diferentes objetos del terreno.

La Figura siguiente muestra algunos ejemplos de firmas espectrales a partir de las cuales se puede entender y comprobar, entre otras cosas, porqué la vegetación es predominantemente verde al analizar su reflectancia en el espectro visible y su alta reflectividad en el infrarrojo cercano (de gran importancia en los estudios de cultivos). También se puede ver que el agua no refleja el infrarrojo (apareciendo negra en las imágenes infrarrojas) y que los suelos son principalmente rojizos o pardos.

Algunos inconvenientes que se presentan en la utilización del concepto de la firma espectral son:

• que la reflexión producida depende de la forma de estos objetos, del ángulo de toma de la imagen y la elevación solar. Estos factores pueden maximizar o también minimizar la calidad de la señal recibida.
• la vecindad radiométrica muy estrecha entre algunos objetos geográficos. Factor que puede llevar a firmas espectrales intermedias según la resolución espacial de la imagen.
• los parámetros propios de los satélites durante la toma: la hora, la incidencia del ángulo del emisor de energía (Sol) con la Tierra según la estación del año entre otros, están lejos de ser factores marginales y sus grados de incidencia son variables en función de los estudios a realizar.

Buscar firmas espectrales de los diferentes objetos geográficos de interés parece un ejercicio difícil pero no del todo imposible. Una de las herramientas más importantes disponibles para resolver este tipo de inconvenientes es la corroboración a campo del valor espectral que se obtiene en la imagen llegando al lugar con un sistema de posicionamiento global.

Ref. Aplicacion Urbana y Teledeteccion.

MERCATOR TRANSVERSAL UNIVERSAL (UTM)

La proyección Mercator Transversal es, en sus distintas versiones, el sistema de coordenadas más utilizado para el mapeo topográfico mundial. Todas las versiones tienen las mismas fórmulas y características básicas, distinguiéndose por las formas que toma la proyección en distintos países. Las variantes surgen de la elección de los parámetros de transformación de coordenadas: latitud de origen, longitud de origen (meridiano central), factor de escala en el origen (meridiano central), y los valores de Falso Esteo y Falso Norteo, los que incluyen las unidades de medida. Adicionalmente hay variaciones en el ancho de las zonas longitudinales utilizados en los distintos territorios. En la Tabla 1 se muestran las distintas formas de la proyección Mercator Transversal, incluyendo el Mercator Transversal Universal (UTM).

El sistema de coordenadas UTM es un sistema de coordenadas cartesiano simple, que ha adquirido aún mayor relevancia por ser utilizado por los Sistemas de Posicionamiento Global (GPS). El datum, o conjunto de parámetros que define el valor numérico de las coordenadas, adoptado por el sistema GPS, es el WGS-84 (World Geodetic System 1984), equivalente al NAD-83 (North American Datum 1983). Mapas antiguos utilizan el datum NAD-27 (1927), cuyas coordenadas pueden diferir en hasta 200 metros con las del WGS-84. Otros datums son el WGS-72 y el ED-50.

 

CONSTRUCCION (UTM)

 

El mundo se divide en 60 zonas de 6º de ancho, que comienzan en los 180º de longitud y se enumeran consecutivamente hacia el Este (Figura 1)

  

                                             

                                        Figura 1. Las 60 zonas del sistema UTM

La proyección utiliza un cilindro secante, como se ve en la Figura 2, donde ab y cd son círculos de tangencia y MC es el meridiano central.

 

 

 

 

FALSO NORTEO Y FALSO ESTEO

  

La base del norteo (y = 0) se encuentra:

 

            Hemisferio Norte : en la línea del Ecuador

            Hemisferio Sur : 10 000 km al sur del Ecuador

 

La base del esteo (x = 0) es variable, asignándose la coordenada 500 000 m (500 km) al meridiano central de cada zona UTM

 

En Chile se utilizan dos zonas:

 

Chile NORTE            : Zona 19,  69ºW (66º a 72ºW)

 

Chile SUR                 : Zona 18,  75ºW (72º a 78ºW)

 

TRANSFORMACION DE COORDENADAS (METODO EXACTO)

Nomenclatura:

a          Semieje mayor

e          Excentricidad

E          Esteo (m)

FE       Falso Esteo (m)

k_o        

n

l          Longitud

j          Latitud (radianes)

j_o        Latitud de origen (radianes)

  

Esteo:

donde

con l y l₀ en radianes

con j en radianes y M₀ para j₀, la latitud de origen, derivada de la misma manera

Las fórmulas inversas convierten Norteo y Esteo en coordenadas de latitud y longitud:

where j₁ may be found as for the Cassini projection from:

Para áreas al sur del Ecuador, el valor de la latitud j serán negativos en las fórmulas anteriores, resultando en los valores correctos de norteo y esteo. Similarmente, al aplicar las formulas inversas para determinar la latitud al sur del Ecuador, un signo negativo para  j resulta en un j₁ negativo, y a la vez un M₁ negativo.

Ejemplo de cálculo 

http://www.posc.org/Epicentre.2_2/DataModel/ExamplesofUsage/cs34utm.html  

Ref:  Meteorología e Hidrología IMQ-216