4.3: Imágenes satelitales y fotografía aérea

Objetivos de aprendizaje

• El objetivo de esta sección es comprender cómo se implementan las imágenes satelitales y la fotografía aérea en las aplicaciones SIG.

Una amplia variedad de imágenes satelitales y fotografía aérea está disponible para su uso en sistemas de información geográfica (SIG). Aunque estos productos son básicamente gráficos ráster, son sustantivamente diferentes en su uso dentro de un SIG. Las imágenes satelitales y la fotografía aérea proporcionan información contextual importante para un SIG y a menudo se utilizan para realizar digitalización frontal (Sección 5.1.4 “Captura de datos secundaria”) mediante la cual las características de la imagen se convierten en conjuntos de datos vectoriales.

Imágenes Satelitales

Las imágenes satelitales de detección remota se están volviendo cada vez más comunes a medida que los satélites equipados con sensores tecnológicamente avanzados son enviados continuamente al espacio por agencias públicas y empresas privadas de todo el mundo. Los satélites se utilizan para aplicaciones como observación terrestre militar y civil, comunicación, navegación, clima, investigación y más. Actualmente, más de 3 mil satélites han sido enviados al espacio, con más de 2 mil 500 de ellos originarios de Rusia y Estados Unidos. Estos satélites mantienen diferentes altitudes, inclinaciones, excentricidades, sincronizaciones y centros orbitales, lo que les permite obtener imágenes de una amplia variedad de características y procesos superficiales (Figura 4.14 “Satélites que orbitan la Tierra”).

Figura 4.14 Satélites orbitando la Tierra

Los satélites pueden ser activos o pasivos. Los satélites activos hacen uso de sensores remotos que detectan respuestas reflejadas de objetos que son irradiados a partir de fuentes de energía generadas artificialmente. Por ejemplo, los sensores activos como los radares emiten ondas de radio, los sensores láser emiten ondas de luz y los sensores de sonar emiten ondas de sonido. En todos los casos, el sensor emite la señal y luego calcula el tiempo que tarda la señal devuelta en “rebotar” de alguna característica remota. Conociendo la velocidad de la señal emitida, se puede utilizar el retardo de tiempo desde la emisión original hasta el retorno para calcular la distancia a la entidad.

Los satélites pasivos, alternativamente, hacen uso de sensores que detectan la radiación electromagnética reflejada o emitida de fuentes naturales. Esta fuente natural es típicamente la energía del sol, pero también se pueden obtener imágenes de otras fuentes, como el magnetismo y la actividad geotérmica. Usando un ejemplo que todos hemos experimentado, tomar una foto con una cámara habilitada para flash sería una detección remota activa, mientras que usar una cámara sin flash (es decir, depender de la luz ambiental para iluminar la escena) sería una detección remota pasiva.

La calidad y cantidad de las imágenes satelitales está determinada en gran medida por su resolución. Existen cuatro tipos de resolución que caracterizan a cualquier sensor remoto en particular (Campbell 2002) .Campbell, J. B. 2002. Introducción a la Teledetección. Nueva York: Guilford Press. La resolución espacial de una imagen de satélite, como se describió anteriormente en la sección del modelo de datos ráster (Sección 4.1 “Modelos de datos ráster”), es una representación directa de la cobertura del suelo para cada píxel mostrado en la imagen. Si un satélite produce imágenes con una resolución de 10 m, la cobertura del suelo correspondiente para cada uno de esos píxeles es de 10 m por 10 m, o 100 metros cuadrados en el suelo. La resolución espacial está determinada por el campo de visión instantáneo (IFOV) de los sensores. El IFOV es esencialmente el área del suelo a través de la cual el sensor recibe la señal de radiación electromagnética y está determinado por la altura y el ángulo de la plataforma de imagen.

La resolución espectral denota la capacidad del sensor para resolver intervalos de longitud de onda, también llamados bandas, dentro del espectro electromagnético. La resolución espectral está determinada por el tamaño del intervalo de las longitudes de onda y el número de intervalos que se escanean. Los sensores multiespectrales e hiperespectrales son aquellos sensores que pueden resolver una multitud de intervalos de longitudes de onda dentro del espectro. Por ejemplo, el satélite IKONOS resuelve imágenes para bandas en los intervalos de longitud de onda azul (445—516 nm), verde (506—95 nm), rojo (632—98 nm) e infrarrojo cercano (757—853 nm) en su sensor multiespectral de 4 metros.

La resolución temporal es la cantidad de tiempo entre cada período de recolección de imágenes y está determinada por el ciclo de repetición de la órbita del satélite. La resolución temporal se puede considerar como un nadir verdadero o un nadir fuera de nadir. Las áreas consideradas nadir verdadero son aquellas ubicadas directamente debajo del sensor, mientras que las áreas fuera del nadir son aquellas que se obtienen imágenes oblicuamente. En el caso del satélite IKONOS, la resolución temporal es de 3 a 5 días para imágenes fuera del nadir y 144 días para la imagen del nadir verdadero.

El cuarto y último tipo de resolución, la resolución radiométrica, se refiere a la sensibilidad del sensor a las variaciones en el brillo y denota específicamente el número de niveles en escala de grises que pueden ser captados por el sensor. Normalmente, los valores radiométricos disponibles para un sensor son de 8 bits (produciendo valores que van de 0 a 255 como 256 valores únicos o como 2 ⁸ valores); 11 bits (0—2,047); 12 bits (0—4,095); o 16 bits (0—63,535) (consulte la Sección 5.1.1 “Tipos de datos” para obtener más información sobre bits). Landsat-7, por ejemplo, mantiene una resolución de 8 bits para sus bandas y, por lo tanto, puede grabar valores para cada píxel que van de 0 a 255.

Debido a las limitaciones técnicas asociadas con los sistemas de teledetección satelital, existe un compromiso entre estos diferentes tipos de resolución. Mejorar un tipo de resolución a menudo requiere una reducción en uno de los otros tipos de resolución. Por ejemplo, un aumento en la resolución espacial se asocia típicamente con una disminución en la resolución espectral, y viceversa. De igual manera, los satélites geoestacionarios (aquellos que rodean la tierra proximal al ecuador una vez al día) producen alta resolución temporal pero baja resolución espacial, mientras que los satélites sincrónicos solares (aquellos que sincronizan una órbita casi polar del sensor con la iluminación del sol) producen una resolución temporal baja al tiempo que proporcionan una alta resolución espacial. Si bien los avances tecnológicos generalmente pueden mejorar las diversas resoluciones de una imagen, siempre se debe tener cuidado para que las imágenes que haya elegido sean adecuadas para representar o modelar las características geoespaciales que son más importantes para su estudio.

Fotografía Aérea

La fotografía aérea, al igual que las imágenes satelitales, representa una vasta fuente de información para su uso en cualquier SIG. Las plataformas para el hardware utilizado para tomar fotografías aéreas incluyen aviones, helicópteros, globos, cohetes, etc. Mientras que la fotografía aérea connota imágenes tomadas del espectro visible, los sensores para medir bandas dentro del espectro no visible (por ejemplo, ultravioleta, infrarrojo cercano) también se pueden fijar a fuentes aéreas. De igual manera, la fotografía aérea puede ser activa o pasiva y puede tomarse desde ángulos verticales u oblicuos. Se debe tener cuidado con las fotografías aéreas ya que los sensores utilizados para tomar las imágenes son similares a las cámaras en su uso de lentes. Estas lentes agregan una curvatura a las imágenes, que se vuelve más pronunciada a medida que uno se aleja del centro de la foto (Figura 4.15 “Error de curvatura debido a las propiedades lenticulares de la cámara”).

Figura 4.15 Error de curvatura debido a las propiedades lenticulares de la cámara

Otra fuente de error potencial en una fotografía aérea es el desplazamiento de relieve. Este error surge del aspecto tridimensional de las características del terreno y se ve como aparente inclinación hacia fuera de los objetos verticales desde el punto central de una fotografía aérea. Para imaginar este tipo de error, considera que una chimenea se vería como una rosquilla si la cámara de visualización estuviera directamente encima de la función. Sin embargo, si se observaba esta misma chimenea cerca del borde de la vista de la cámara, se podrían observar los lados de la chimenea. Este error se ve frecuentemente con árboles y edificios de varios pisos y empeora con características cada vez más altas.

Las ortofotos son fotografías verticales que han sido geométricamente “corregidas” para eliminar la curvatura y el error inducido por el terreno de las imágenes (Figura 4.16 “Ortofoto”). El producto ortofoto más común es el cuadrángulo orto cuarto digital (DOQQ). Los DOQQ están disponibles a través del Servicio Geológico de Estados Unidos (USGS), quienes comenzaron a producir estas imágenes en su biblioteca de fotos del Programa Nacional de Fotografía Aérea a escala 1:40 ,000. Estas imágenes se pueden obtener en escala de grises o en color con resolución espacial de 1 metro y resolución radiométrica de 8 bits. Como su nombre indica, estas imágenes cubren una cuarta parte de un cuadrilátero USGS de 7.5 minutos, lo que equivale a un área de aproximadamente 25 millas cuadradas. Se incluye con estas fotos un borde adicional de 50 a 300 metros alrededor de la foto que permite a los usuarios mosaicos de muchos DOQQ en una sola imagen continua. Estos DOQQ son ideales para su uso en un SIG como información de visualización de fondo, para la edición de datos y para la digitalización heads-up.

Figura 4.16 Ortofoto

Fuente: Datos disponibles del Servicio Geológico de los Estados Unidos, Centro de Observación y Ciencia de los Recursos Terrestres (EROS), Sioux Falls, SD.

Claves para llevar

• Las imágenes satelitales son una herramienta común para las aplicaciones de mapeo SIG, ya que estos datos están cada vez más disponibles debido a los avances tecnológicos en curso.
• Las imágenes de satélite pueden ser pasivas o activas.
• Los cuatro tipos de resolución asociados con las imágenes satelitales son espaciales, espectrales, temporales y radiométricas.
• Las fotografías aéreas verticales y oblicuas proporcionan valiosa información de línea de base para aplicaciones GIS.

Ejercicio

1. Vaya al sitio web de EarthExplorer (EDCSNS17.cr.usgs.gov/EarthExplorer) y descargue dos imágenes satelitales de la zona en la que reside. ¿Cuáles son las diferentes resoluciones espaciales, espectrales, temporales y radiométricas para estas dos imágenes? ¿Estos satélites proporcionan imágenes activas o pasivas (o ambas)? ¿Son geoestacionarios o síncronos solares?