01 Fundamentos Teledeteccion

Curso: Anlisis Espacial
Tema: Fundamentos de Teledeteccin

Fundamentos de Teledeteccin
Presentado por: Ing. Ever Enrique Castillo Osorio

QUE ES LA PERCEPCIN REMOTA O TELEDETECCIN?
La Percepcin Remota (Remote Sensing) o Teledeteccin puede definirse como la ciencia y arte de obtener informacin de un objeto (pe. superficie de la tierra) analizando los datos adquiridos mediante algn dispositivo (sensor) que no est en contacto fsico con dicho objeto. Esto se realiza a travs del registro del reflejo o emisin de energa por parte del sensor para procesar, analizar y aplicar esta informacin.
Ejemplo: Uds. mismos, al leer estas lneas, est ejecutando un acto de percepcin remota: un ente fsico, la luz que emana de la fuente emisora, en este caso la pantalla de su PC, atraviesa cierta distancia hasta que es capturada por un sensor, sus ojos, que la envan a un procesador, su cerebro.

ORIGEN Y EVOLUCIN DE LA PERCEPCIN REMOTA

El origen de la percepcin remota o teledeteccin est ligado a los experimentos de Newton (1822), quien constat que un rayo luminoso (luz blanca), al atravesar un prisma, se desdobla en un haz de colores un espectro de colores. Algunos autores colocan el origen de la Percepcin Remota ligado al desarrollo de sensores fotogrficos, cuando las fotografas areas eran obtenidas desde globos.
Es evidente que la Percepcin Remota es fruto de un esfuerzo multidisciplinario que envolvi y envuelve avances en la fsica, fsico-qumica, qumica, biociencias y geociencias, en la computacin, mecnica, etc...

APLICACIN DE LA PERCEPCIN REMOTA

La aplicacin de sensoriamento remoto es de gran importancia para el desarrollo cientfico y tecnolgico, ya que permite desarrollar proyectos y estudios que precisan de informacin proporcionada por imgenes satelitales de algunas regiones de nuestro pas y as contribuir al desarrollo sostenible

COMO TRABAJA LA PERCEPCIN REMOTA

DEFINICIONES
Sensores : son equipos capaces de colectar energa proveniente del objeto, convirtindola en una seal posible de ser registrada y presentndola en forma adecuada para la extraccin de informaciones. Reflectancia: (radiacin reflejada) es definida como la relacin entre de flujo de radiacin incidente sobre una superficie y el flujo de radiacin reflejada por dicha superficie. Tiene un rango de 0 a 1. El equipo que permite medir la reflectancia es el espectmetro. Albedo: es definido como la reflectancia pero donde el flujo incidente es originado por la radiacin solar.

PROCESO DE PERCEPCIN REMOTA
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
Fuente de energa o Iluminacin (A) Radiacin y Atmsfera (B) Interaccin con el objeto (C) Recepcin de la Energa del objeto por el Sensor (D) Transmisin, Recepcin y Procesamiento (E) Interpretacin y Anlisis (F) Aplicacin (G)

ESPECTRO ELECTROMAGNTICO (REFRACCIN)

S hacemos pasar la radiacin proveniente del sol (REM) por un prisma ptico observaremos que el reflejo que proviene del prisma se encuentra dividido en varios colores, es decir, la radiacin del sol se ha Refractado en otras palabras la radiacin reflejada por el prisma presenta las diferentes capas o bandas que la componen. Es decir, que la radiacin electromagntica (REM) proveniente del sol esta compuesta por un sinnmero de espectros que a simple vista no distinguimos.
RADIACIN VISIBLE REFRACTADA

ESPECTRO ELECTROMAGNTICO
Se denomina espectro electromagntico a la distribucin energtica del conjunto de las ondas electromagnticas o, ms concretamente, a la radiacin electromagntica que emite (espectro de emisin) o absorbe (espectro de absorcin) una sustancia.

Longitud de onda (m)
Rayos gamma Rayos X Ultravioleta Extremo Ultravioleta Cercano < 10 pm < 10 nm < 200 nm < 380 nm
Frecuencia (Hz)
>30.0 EHz >30.0 PHz >1.5 PHz >789 THz
Energa (J)
>19.9E-15 J >19.9E-18 J >993E-21 J >523E-21 J
Luz Visible
Infrarrojo Cercano Infrarrojo Medio
< 780 nm
< 2.5 m < 50 m
>384 THz
>120 THz >6.00 THz
>255E-21 J
>79.5E-21 J >3.98E-21 J
Infrarrojo Lejano/submilimtrico
Microondas Ultra Alta Frecuencia Radio
< 1 mm
< 30 cm <1 m
>300 GHz
>1.0 GHz >300 MHz
>199E-24 J
>1.99e-24 J >1.99e-25 J
Muy Alta Frecuencia Radio

Onda Corta Radio Onda Media Radio
<10 m
<180 m <650 m
>30 MHz
>1.7 MHz >650 kHz
>2.05e-26 J
>1.13e-27 J >4.31e-28 J
Onda Larga Radio

Muy Baja Frecuencia Radio
<10 km
>10 km
>30 kHz
<30 kHz
>1.98e-29 J
<1.99e-29 J

Ondas de radio: bajas frecuencias y grandes longitudes de onda. Las ondas electromagnticas en esta faja son utilizadas para la comunicacin a larga distancia, ya que, adems de ser poco atenuadas por la atmsfera, son reflejadas por la ionosfera, propiciando una propagacin de largo alcance. Microondas: se sitan en la faja de 1 mm a 30 cm o 3 X 1011 a 3 X 109 Hz. En esta faja de longitudes de onda se puede construir dispositivos capaces de producir haces de radiacin electromagntica altamente concentrados, llamados radares. La poca atenuacin por la atmsfera o por las nubes, hace propicio un excelente medio para uso de sensores de microondas en cualquier condicin climtica. Infrarrojo: de gran importancia para la Percepcin Remota. Engloba la radiacin con longitudes de onda de 0,75 um a 1,0 mm. La radiacin infrarroja es fcilmente absorbida por la mayora de las substancias (efecto de calentamiento). Visible: es definida como la radiacin capaz de producir la sensacin de visin para el ojo humano normal. Presentan una pequea variacin de longitud de onda (380 a 750 nm). Importante para la Percepcin Remota, ya que las imgenes obtenidas en esta faja, generalmente presentan una excelente correlacin con la experiencia visual del interprete.

Ultravioleta: extensa faja del espectro (10 nm a 400 nm). Pelculas fotogrficas son ms sensibles a la radiacin ultravioleta, que a la luz visible. Esta faja es utilizada para la deteccin de minerales por luminescencia y polucin marina. Uno de los grandes obstculos para la utilizacin de esta regin del espectro, es la fuerte atenuacin atmosfrica. Rayos X: Faja de 1 Ao a 10 nm (1 Ao = 10-10 m). Son generados predominantemente, por la parada o frenada de electrones de alta energa. Por estar constituido por fotones de alta energa, los rayos X son altamente penetrantes, siendo una poderosa herramienta en la investigacin sobre la estructura de la materia. Rayos GAMA: son los rayos ms penetrantes de las emisiones de substancias radioactivas. No existe, en principio, lmite superior para la frecuencia de las radiaciones gama, aunque se encuentre an una faja superior de frecuencias para la radiacin, conocida como rayos csmicos.
* La faja ms utilizada en Percepcin Remota est entre 0,3 um y 15,0 um, la cual se conoce como espectro ptico. En esta faja, los componentes pticos de reflexin y refraccin tales como lentes, espejos y prismas, son utilizados para colectar y reorientar la radiacin.

SISTEMAS SENSORES
Todos los materiales y fenmenos naturales absorben, transmiten, reflejan y emiten selectivamente radiacin electromagntica. Con el desarrollo actual es posible medir con una precisin razonable y a distancia, las propiedades espectrales de aquellos materiales y fenmenos. Cualquier sistema sensor presenta los siguientes componentes necesarios para captar la radiacin electromagntica (ver la figura siguiente).
donde:
colector = recibe la energa a travs de una lente, espejo, antenas, ... detector = capta la energa colectada de una determinada faja del espectro; procesador = la seal registrada es sometida a un procesamiento (revelado, ampliacin, ...) a travs del cual se obtiene el producto; producto = contiene la informacin necesaria para el usuario.

TIPOS DE SENSORES
Los sensores pueden ser clasificados en funcin de la fuente de energa o en funcin del tipo de producto que produce. En funcin de la fuente de energa: A-) PASIVOS: no poseen una fuente propia de radiacin. Miden la radiacin solar reflejada o la radiacin emitida por los albos. Por ejemplo, los sistemas fotogrficos. B-) ACTIVOS: poseen su propia fuente de radiacin electromagntica, trabajando en fajas restrictas del espectro. Por ejemplo, los radares. En funcin del tipo de producto: A-) No imageadores: no generan una imagen de la superficie observada. Por ejemplo, los radimetros (salida en dgitos o grficos) y los espectrorradimetros (firma espectral). Son esenciales para la adquisicin de informaciones minuciosas sobre el comportamiento espectral de los objetos de la superficie terrestre. B-) Imageadores: se obtiene como resultado una imagen de la superficie observada. Suministran informaciones sobre la variacin espacial de la respuesta espectral de la superficie observada. B.1 - sistema de cuadro ("framing systems"): adquieren la imagen de la totalidad de la escena en un mismo instante, por ejemplo: RBV. B.2 - sistema de barrido ("scanning systems") por ejemplo: TM, MSS, SPOT. B.3 - sistema fotogrfico

TIPOS DE SENSORES
SENSOR PASIVO
SENSOR ACTIVO

PLATAFORMAS DE PERCEPCIN REMOTA
SATLITE
AERONAVE

ORBITAS SATELITALES
ORBITA GEOESTACIONARIA (GOES)
ORBITA POLAR (SPOT)

NIVEL DE ADQUISICIN DE DATOS

C A-) Nivel de laboratorio (0 a 20 m) - se trabaja con porciones reducidas de la materia y se estudia su comportamiento espectral casi que sin interferencia de factores ambientales. El rea posible de ser analizada por estos mtodos es reducida.
B-) Nivel de Aeronave (300 a 3.000 m) - la energa registrada por el sensor no se refiere a un determinado objeto, sino a un grupo de objetos de la escena. Algunos objetos pueden ser individualmente detectados por su configuracin. C-) Nivel Orbital (400 a 920 km) - en cada elemento de resolucin en el terreno, la energa registrada corresponde a la integracin de la respuesta de diferentes objetos.

PROGRAMAS ESPACIALES
LANDSAT 4y5 ORBITA circular 98,2 grados Heliosncrona 99 minutos 705 Km. SPOT 1y2 circular 98,7 grados Heliosncrona 97 minutos 832 Km. ERS - 1 circular 98,5 grados Heliosncrona 100 - 467 minutos 785 Km.
PERIODO ALTITUD
CRUCE
CICLO ORBITA ADYACENTE ORBITA SUCESIVA
9:45 horas
16 das 172 Km. 2.750 Km.
10:39 horas
26 das 108 Km. 2.700 Km.
10:30 horas (desc.)

35 das (SAR) 100 Km. -

PROGRAMAS ESPACIALES
LANDSAT 5
CBERS
IKONOS
LANDSAT 7
RADARSAT
ERS

SATELITES DE OBSERVACION DE LA TIERRA

RECURSOS NATURALES
SPOT 4 (Marzo 1998) LANDSAT 5 y 7
ALTURA 705 km BANDAS 7 CILCO REPETICION COBERTURA 185 km. x 185 km. RESOLUCION MULTI 30mt x 30 mt RESOLUCION PAN 15 mt x 15 mt RANGO DINAMICO 8 bits
ALTURA 832 Km BANDAS 4 CLICLO REPETICION 26 dias COBERTURA 60 km x 60 km RESOLUCION XS: 20 mt x 20 mt RESOLUCION PAN 10 mt x 10 mt. RANGO DINAMICO 8 bits
SPOT 5 (Mayo 2002)

10 metros 10 metros ( & 5 metros XI ) 10 metros 20 metros


RECURSOS NATURALES
ASTER diciembre 1999

Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer8/7
COBERTURA 60 km. X 60 Km.


ALTA RESOLUCION
QUICK BIRD (Octubre 2001)
IKONOS 2 (SETIEMBRE 1999)

ALTURA 680 km BANDAS 4 CILCO REPETICION COBERTURA 11 km. x 11 km. RESOLUCION MULTI 4mt x 4 mt RESOLUCION PAN 1 mt x 1 mt RANGO DINAMICO 11 bits Cobertura 16.5 Km. RESOLUCION MULTI 2.44 RESOLUCION PAN 0.61 mt.


RADAR
ERS 1991 SAR AGENCIA EUROPEA
RADARSAT 1-2 CANADA
JERS-1 Febrero 1992 Japanes Earth Resources Satellite SAR ALTURA : 568 Km PERIODO: 44 dia POLARIZACION ANGULO DE INCIDENCIA RESOLUCION

IMAGEN DIGITAL
Una imagen se puede representar por una matriz de datos, donde las lneas y columnas definen las coordenadas espaciales del "pixel". Para representar la radiancia de la escena para cada "pixel" se utiliza un nmero finito de bits. La Radiancia es el flujo radiante que proviene de una fuente en una determinada direccin por unidad de rea. En realidad la medida de la radiancia representada en cada "pixel" por su nivel de gris, no es solamente la de la radiacin reflejada por la superficie contenida en la escena del "pixel", sino tambin la radiacin debido a la dispersin atmosfrica.
IMAGEN DIGITAL EN PC

CARACTERIZACIN DE IMGENES
PIXEL

CARACTERIZACIN DE IMGENES
COLOR Y B/N
IMAGEN A BLANCO Y NEGRO
IMAGEN A COLOR

RESOLUCIN Y BANDAS
Resolucin es una medida de la habilidad que posee un sistema sensor en distinguir entre respuestas que son semejantes o prximas. La resolucin puede ser clasificada en espacial, espectral, radiomtrica y temporal. Resolucin espacial: mide la menor separacin angular o lineal entre dos objetos. Por ejemplo, una resolucin de 20 metros implica que objetos distanciados entre s menos que 20 metros, en general no sern discriminados por el sistema. Resolucin espectral: es una medida del ancho de las bandas espectrales del sistema sensor. Por ejemplo, un sensor que opera en el intervalo de 0,4 a 0,45 m tiene una resolucin espectral menor que un sensor que opere en el intervalo de 0,4 a 0,5 um. Resolucin radiomtrica: est asociada a la sensibilidad del sistema sensor en distinguir dos niveles de intensidad de la seal de retorno. Por ejemplo, una resolucin de 10 bits (1024 niveles digitales) es mejor que una de 8 bits. Resolucin temporal: est asociada a la capacidad del sistema orbital en actualizar la captura de informacin de una determinada rea. Por ejemplo, una resolucin de 12 horas significa que el sistema orbital (satlite) actualizara la informacin en ese lapso de tiempo.

RESOLUCIN Y BANDAS
SPOT XS 20m
LANDSAT THEMATIC MAPPER 30m

RESOLUCIN Y BANDAS
ALTA RESOLUCIN

RESOLUCIN Y BANDAS
LANDSAT TM SPOT HRV NOAA AVHRR
RESOLUCIN ESPACIAL RESOLUCIN RADIOMETRICA RESOLUCIN TEMPORAL
30 m 120 m (Banda 6)
20 m (Banda1 a 3) 10 m (Pan) 8 bits (1-3) 6 bits (Pan) 26 DAS
1,1 Km (nominal)
8 bits
10 bits
16 DAS Banda1 - 0,45 - 0,52 Banda2 - 0,52 - 0,60 Banda3 - 0,63 - 0,69 Banda4 - 0,76 - 0,90 Banda5 - 1,55 - 1,75 Banda6 - 10,74 - 12,5 Banda7 - 2,08 - 2,35
12 HORAS
RESOLUCIN ESPECTRAL (MICROMETROS)
Banda1 - 0,50 - 0,59 Banda2 - 0,61 - 0,68 Banda3 - 0,79 - 0,89 Pan - 0,51 - 0,73
Banda 1 - 0,58 - 0,68 Banda 2 - 0,725 - 1,1 Banda 3 - 3,55 - 3,93 Banda 4 - 10,30 - 11,30 Banda 5 - 11,50 - 12,50

BANDAS Y SUS APLICACIONES EN PERCEPCIN REMOTA

SATLITE LANDSAT (SENSOR TM) CANAL BANDA ESPECTRAL (um) 0,45 - 0,52 PRINCIPALES APLICACIONES Mapeo de aguas costeras Diferenciacin entre suelo y vegetacin Diferenciacin de vegetacin conferas. Reflectancia de la vegetacin verde sana Absorcin de clorofila Diferenciacin de especies vegetales Levantamiento de biomasa Delineamiento de cuerpos de agua
2 3 4 5 6
0,52 - 0,60 0,63 - 0,69 0,76 - 0,90 1,55 - 1,75 10,4 - 12,5
Medidas de humedad de la vegetacin Diferenciacin entre nubes y nieve

Mapeo de estrs trmico en plantas Otros mapeos trmicos
2,08 - 2,35
Mapeo hidrotermal

BANDAS Y SUS APLICACIONES EN PERCEPCIN REMOTA

SATLITE NOAA (SENSOR AVHRR)
CANAL BANDA ESPECTRAL (um) PRINCIPALES APLICACIONES Mapeo diurno de nubes, hielo y nieve. Definicin de rasgos de suelo y cobertura vegetal. Delineamiento de la superficie del agua Definicin de condiciones de fusin de nieve e hielo Evaluacin de la vegetacin y monitoreo meteorolgico (nubes) Delineamiento de la superficie del agua Definicin de condiciones de fusin de nieve e hielo Evaluacin de la vegetacin y monitoreo meteorolgico (nubes) Mapeo nocturno y diurno de nubes Medicin de la superficie del mar, lagos y ros Deteccin de erupcin volcnica Humedad del suelo, atributos meteorolgicos de las nubes Temperatura de la superficie del mar y humedad del suelo
0,58 - 0,68
0,725 - 1,1
3,55 - 3,93
4y5
10,30 - 11,30 (4) 11,50 - 12,50 (5)

APLICACIONES CON COMBINACION DE BANDAS - LANDSAT

RECEPCIN DE DATOS (TDRS)
ESTACIN TERRENO
TDRS

PROCESAMIENTO DE IMGENES (COMPUTADOR)

Por Procesamiento Digital de Imgenes se entiende la manipulacin de una imagen a travs de un computador, de modo que la entrada y la salida del proceso sean imgenes. Para comparar, en la disciplina de reconocimiento de patrones, la entrada del proceso es una imagen y la salida consiste en una clasificacin o una descripcin de la misma. Por otro lado, la elaboracin de grficos por computador envuelve la creacin de imgenes a partir de descripciones de las mismas. El objetivo de utilizar el procesamiento digital de imgenes, es mejorar el aspecto visual de ciertos elementos estructurales para el analista y proveer otros subsidios para su interpretacin, inclusive generando productos que puedan ser posteriormente sometidos a otros procesamientos. El rea de procesamiento digital de imgenes ha generado un gran inters en las dos ltimas dcadas. La evolucin de la tecnologa de computacin, bien como el desarrollo de nuevos algoritmos para tratar seales bidimensionales est permitiendo una gama de aplicaciones cada vez mayor.

ETAPAS EN EL PROCESAMIENTO DE IMGENES

El procesamiento digital de imgenes puede ser dividido en tres etapas independientes: preprocesamiento, realce y clasificacin. El preprocesamiento: se refiere al procesamiento inicial de los datos brutos para la calibracin radiomtrica de la imagen, la correccin de distorsiones geomtricas y la eliminacin de ruido. Realce: Las tcnicas de ms comunes en PDI son: realce de contraste, filtraje, operacin aritmtica, transformacin IHS y componentes principales. Clasificacin: en lo que se refiere a sus tcnicas de, estas pueden ser divididas en: clasificacin supervisada (por pixel) y clasificacin no supervisada (por regiones). NOTA: El usuario puede escoger por no utilizar los algoritmos de clasificacin y realizar una interpretacin directa sobre una imagen realzada. Como se ver a seguir, las tcnicas de PDI son aplicadas siempre con los niveles de gris (NG) atribuidos a los pixels de una imagen. Dependiendo de la tcnica utilizada el usuario trabajar con una nica imagen (banda o PI) o con varias imgenes, siendo est ltima conocida como tcnicas multiespectrales, por tratar de varias imgenes de la misma escena en regiones diferentes del espectro electromagntico.

INTERPRETACIN DE IMGENES
Elementos a interpretar
1. 2.
Tamao Forma
3.
4. 5. 6. 7. 8.
Sombra
Tonalidad Color Textura Patrn Asociacin de relaciones o contexto

BENEFICIOS
Incremento de la calidad de los productos desarrollados.

Desarrollo de nuevos productos tcnico-cientficos de alta calidad y en menor tiempo. Liderazgo e innovacin tecnolgica para el desarrollo de estudios y proyectos. Incremento del mercado de usuarios.

IMPLEMENTACION HARDWARE / SOFTWARE

SOFTWARE: ERDAS IMAGINE ILWIS
BANCO DE IMAGENES
SERVIDOR DE PROCESAMIENTO DE IMGENES SATELITALES
TERMINAL DE VISUALIZACION E INTERPRETACION DE RESULTADOS
IMAGEN SATELITAL
RESULTADOS (IMPRESO, IMAGEN)

APLICACIONES CON IMGENES SATELITALES

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. Clasificacin de la cobertura edafolgica Deteccin de erosin de suelos Mapeo global de la vegetacin Zonificacin agroclimtica Retroceso glacial Monitoreo de la calidad del agua Medicin de la temperatura superficial del mar Cuantificacin de nieve Monitoreo de los elementos atmosfricos
10. Extraccin minera 11. Interpretacin geolgica 12. Modelamiento del relieve.

APLICACIONES CON IMGENES SATELITALES

SELECCIN DE AREA Y PERIODO DE ANALISIS
IMGENES LANDSAT
VERIFICACIN Y ANALISIS
METODOLOGA PARA EL ESTUDIO DE SEQUIA CON SENSORAMIENTO REMOTO
SELECCIN Y CORTE DEL REA DE INTERES (CUENCA)
EXTRACCION DE CARACTERSTICAS
CLASIFICACION DE IMGENES SATELITALES - SUPERVISADA - NO SUPERVISADA
PROPIAS DE LA IMAGEN
MAPA DE CLASIFICACION DE INDICE DE HUMEDAD RECOPILACIN DE DATOS CLASIFICACION DE IMAGENES EN PERIODOS NORMALES Y CON DEFICIENCIA HIDRICA MAPAS DE NDVI

IMAGEN SATELITAL LANDSAT 5TM
ZONA DE ESTUDIO
Cuenca : Ro Rmac
ESCENA
Rows : 068 Path : 007 PERIODO 29/Marzo/1990

SELECCIN DEL REA DE ESTUDIO - RMAC

METODO DE CLASIFICACIN Definicin:
Es el proceso de agrupar los pxeles en un nmero finito de clases individuales o categoras de datos con base en los niveles digitales de los datos.
Si un pxel satisface cierto criterio, entonces el pxel es asignado a la clase que corresponda a ese criterio. Tipos de clasificacin: Clasificacin Supervisada Clasificacin No Supervisada
IMAGEN LANDSAT Presentado por: Ing. Ever Enrique Castillo Osorio

METODO DE CLASIFICACIN SUPERVISADA

* Despliegue de una imagen

Vegetacin
Agua

* Ingreso de la base de datos
Las firmas espectrales se hacen de manera consecutiva; es decir, por cada sembrado, se ingresa una firma espectral (agua, ciudad, vegetacin, pastizales, etc).

* Resultado Informacin en formato Raster
Imagen Final
Imagen Inicial

* Transformacin a vector
2


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>19.9E-15 J >19.9E-18 J >993E-21 J >523E-21 J

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ASTER diciembre 1999

COBERTURA 60 km. X 60 Km.