1.2: Mediciones radiométricas

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Si bien muchos datos de teledetección pueden visualizarse como imágenes e interpretarse directamente como tales para ubicar, por ejemplo, ciudades y barcos e incendios, es importante comprender que la mayoría de los sensores satelitales también pueden considerarse como instrumentos calibrados con precisión utilizados para medir las características de los electromagnéticos radiación que llega desde una dirección dada en el momento de la medición. En este capítulo nos centraremos en dicho uso de imágenes satelitales. Primero necesitamos definir algunos conceptos relacionados con la radiación electromagnética y cómo se mide. Después de eso veremos cómo emplear esos conceptos para extraer información útil de las imágenes satelitales.

Conceptos relacionados con la intensidad de la EMR

Varias otras propiedades de los campos de EMR se relacionan con su intensidad, la cantidad de energía contenida en ellos. La unidad fundamental de energía del SI es el Joule (J). Debido a que la radiación se mueve a medida que las ondas EMR se propagan, una medida importante de la intensidad de un campo de EMR es la cantidad de energía que se mueve hacia, a través o desde una superficie o volumen por unidad de tiempo. Esto se llama flujo radiante, y se mide en Julios por segundo, o Watts (W). En la teledetección, casi siempre estamos interesados en medir la intensidad de la radiación sobre un área finita (por ejemplo, una representada por un píxel en una imagen de satélite). Esto se denomina densidad de flujo radiante, y se mide como flujo radiante por unidad de área, por ejemplo W m ^-2. Para uso práctico, el término irradiancia se usa para describir la densidad de flujo radiante incidente sobre una superficie, y la exitancia se usa para describir la densidad de flujo radiante que sale de una superficie (Figura 13).

13: Irradiancia y Exitancia. A la izquierda, la irradiancia es el flujo radiante incidente en una superficie por unidad de área. A la derecha, la exitancia es el flujo radiante que deja una superficie por unidad de área. Ambos se miden típicamente en W m-2. Las flechas de diferente color indican que estas dos densidades de flujo radiante se miden para todas las longitudes de onda presentes en el campo de radiación. Por Anders Knudby, CC BY 4.0.

Si bien la irradiancia y la exitancia son conceptos útiles, no podemos medirlos con instrumentos en plataformas voladoras porque abarcan la radiación incidente o que sale de una superficie en cualquier dirección. Es decir, para medir la salida para una parte de 1 m ² de la superficie terrestre, necesitaríamos colocar un sensor hemisférico sobre el área en cuestión, midiendo así la radiación saliente en todas las direcciones hacia arriba (si se mide la luz solar reflejada desde la superficie, el sombreado por el instrumento obviamente hacen inútil la medición). Otra unidad de intensidad de EMR comúnmente utilizada en la teledetección es, por lo tanto, algo más estrechamente relacionado con lo que realmente se mide por instrumentos, se llama radiancia y se define como la densidad de flujo radiante por unidad de área de fuente proyectada, en una dirección particular definida por un sólido ángulo (Figura 14). Un ángulo sólido se puede considerar como un cono; en la mayoría de los casos de teledetección, este cono es increíblemente estrecho ya que se extiende desde el área observada hasta el elemento de detección relevante en el sensor.

14: Resplandor. En comparación con la irradiancia y la exitancia, la radiancia se calcula por unidad de área de superficie proyectada y dentro de un ángulo sólido especificado. La luminosidad se mide típicamente con unidades de W m-2 sr-1, donde sr significa esteradiano, que es una medida del ángulo sólido. Por Anders Knudby, CC BY 4.0.

Al medir EMR con instrumentos en aeronaves o satélites, las mediciones de radiancia generalmente se realizan para intervalos discretos de longitudes de onda. Por ejemplo, la 'Banda 1' en muchos satélites ha sido diseñada para medir solo el resplandor de la radiación electromagnética con ciertas longitudes de onda que parecen azules a los ojos humanos, como entre 420 y 470 nm. Suponiendo que este rango de longitudes de onda se mide perfectamente por 'Banda 1', podemos encontrar la radiancia espectral dividiendo la radiancia medida por el rango de longitudes de onda medidas (en este caso 50 nm). El resplandor espectral es una medida muy utilizada en la teledetección, y a menudo está directamente relacionada con los valores brutos (es decir, Números Digitales) que se encuentran en cada banda en las imágenes de teledetección.

Figura 14, las flechas que indican radiación electromagnética se han coloreado aquí con un solo color, para enfatizar que la radiancia espectral se mide para un rango específico de longitudes de onda. Por Anders Knudby, CC BY 4.0.

Si bien el resplandor espectral es la unidad de intensidad de la EMR que está más estrechamente relacionada con lo que realmente se mide con los instrumentos de teledetección, tiene la desafortunada calidad de depender de la iluminación del área observada. Esto es obvio si imaginas medir la cantidad de luz que sale del estacionamiento de tu vecindario local. Durante un día soleado, mucha luz sale de la superficie asfáltica, a veces en la medida en que necesitas entrecerrar los ojos para mirarlo. En otras palabras, la superficie tiene un alto resplandor espectral en las longitudes de onda visibles. En un día nublado, sale menos luz de la superficie, menor luminosidad espectral. Y durante la noche, obviamente, muy poca luz sale de la superficie —muy bajo resplandor espectral. Por lo tanto, medir el resplandor espectral que sale de una superficie no puede decirnos directamente mucho sobre qué es esa superficie, ya sea un estacionamiento, un lago o un bosque. Lo que preferiríamos medir en cambio es la reflectancia de una superficie, la cantidad de radiación que refleja por unidad de radiación incidente sobre ella. Esta es una propiedad física real de un material que en la mayoría de los casos es completamente independiente de la iluminación, y por lo tanto algo que se puede utilizar para identificar el material. Una alta reflectancia es lo que hace que las superficies blancas sean blancas, y una baja reflectancia es lo que hace que las superficies negras sean negras. Un tipo de reflectancia comúnmente utilizado es el albedo, que es lo que las personas de teledetección llaman reflectancia difusa. Se calcula como la exitancia dividida por la irradiancia, y es una medida sin unidad que oscila entre 0 (para superficies completamente negras que no tienen exitancia) y 1 (para superficies completamente blancas que reflejan toda la radiación incidente sobre ellas).

16: Reflectancia difusa. Definida como exitancia (flechas salientes) dividida por irradiancia (flechas entrantes). Por Anders Knudby, CC BY 4.0.

La reflectancia difusa no se puede medir directamente en la teledetección; de hecho, ninguno de los dos términos necesarios se puede medir. Sin embargo, se puede estimar con bastante precisión en la parte superior de la atmósfera (más sobre eso más adelante) empleando dos trucos. En primer lugar, sabemos muy bien cuánta radiación produce el Sol a diversas longitudes de onda, por lo que podemos estimar la irradiancia con buena precisión. Segundo, si asumimos que el resplandor es una función conocida de la dirección de propagación, entonces podemos convertir la radiancia medida en una dirección en exitancia. En conjunto, esto nos da la información necesaria para convertir una medida de radiancia en una estimación de reflectancia difusa.

Sin embargo, necesitamos un último paso (por ahora) para llegar a una medición que pueda ser utilizada para identificar lo que estamos viendo, porque la reflectancia difusa es un valor único que nos dice algo sobre lo brillante que es una superficie, pero no nos dice nada sobre su cromaticidad (que es el aspecto del color que no incluye brillo, por lo que por ejemplo el rojo claro y el rojo oscuro pueden tener la misma cromaticidad, mientras que el rojo claro y el verde claro tienen cromatidades diferentes). Sin embargo, como se indicó anteriormente en el párrafo sobre radiancia espectral, las mediciones realizadas con instrumentos de teledetección son en realidad mediciones de radiancia espectral. De esta manera, podemos convertir estas mediciones en estimaciones de la exitancia espectral, y dividirlas por irradiancia espectral, para llegar a una medida de reflectancia espectral difusa. Sin tener en cuenta las interacciones entre la radiación electromagnética y la atmósfera, esto es lo más cerca que llegaremos a producir una medida que nos diga algo sobre lo que está cubriendo la superficie de la Tierra en el píxel que medimos.

17: Reflectancia espectral difusa. Definida como la exitancia espectral dividida por la irradiancia espectral. Por Anders Knudby, CC BY 4.0.

Cómo se detecta y mide la radiación electromagnética

Para medir la intensidad de la radiación electromagnética entrante, los instrumentos de teledetección se basan en materiales especiales que son absorbentes eficientes de la radiación con el rango deseado de longitudes de onda, y que generan una corriente eléctrica cuando se exponen a la radiación, una corriente que luego se mide. Si bien se emplean diferentes materiales para absorber y así detectar radiación a diferentes longitudes de onda en diferentes tipos de sensores, el principio básico está bien ilustrado con instrumentos de teledetección óptica pasiva, la mayoría de los cuales dependen de sensores CCD o CMOS, al igual que la cámara de tu teléfono.

Imagínese una cámara conectada a un satélite en el espacio, apuntando hacia abajo en la Tierra. Por un periodo de tiempo muy corto, se abre la apertura de la cámara, dejando entrar la luz que ha sido producida por el Sol (según la Ley de Planck) y reflejada por la atmósfera y superficie de la Tierra de regreso al espacio, exactamente en la dirección del satélite. Dentro de la cámara se encuentra un CCD bidimensional, una especie de tablero de ajedrez con 3 x 3 pequeños elementos detectores individuales, cada uno de los cuales es capaz de absorber la luz solar y producir así una corriente eléctrica proporcional a la intensidad de la luz entrante. Los elementos de detección expuestos a la luz solar más intensa producen una corriente con mayor voltaje, por lo que el voltaje es una indicación directa de la cantidad de luz solar a la que se expuso cada elemento. Un ejemplo se proporciona en la Tabla 1.

Cuadro 1: Ejemplo de voltajes generados por elementos detectores individuales en un CCD alojado en una cámara espacial. Por Anders Knudby, CC BY 4.0.

1.2	1.1	0.9
1.3	1.2	1.1
1.1	0.9	0.8

La óptica (sistema de lentes) en la cámara asegura que cada elemento de detección individual esté expuesto a la luz proveniente de una dirección predefinida única con relación a la cámara. Sabiendo dónde está el satélite y cómo se orienta con relación a la Tierra, cada una de estas direcciones se puede convertir en un conjunto de coordenadas geográficas (latitud/longitud) en la superficie de la Tierra, desde donde se debió reflejar la luz registrada por cada elemento detector. En otras palabras, la corriente eléctrica generada por cada uno de los elementos detectores de 3 x 3 se puede mapear de nuevo a una ubicación en la superficie de la Tierra.

Cuadro 2: Coordenadas geográficas a partir de las cuales se ha reflejado la luz solar que produce la corriente eléctrica en cada elemento del Cuadro 1. Para este ejemplo, ignore el hecho de que el tamaño de píxel implícito en las coordenadas geográficas no es cuadrado y muy grande. Por Anders Knudby, CC BY 4.0.

45.1 N/80,5 W	45.1 N/80,4 W	45.1 N/80.3 W
45.0 N/80,5 W	45.0 N/80,4 W	45.0 N/80.3 W
44.9 N/80,5 W	44.9 N/80.4 W	44.9 N/80.3 W

Debido a que la tensión de la corriente eléctrica generada por cada elemento de detección es proporcional a la densidad de flujo radiante de la radiación entrante, con una calibración adecuada la tensión producida por cada elemento de detección puede convertirse en una medida de la densidad de flujo radiante entrante en la cámara. Además, con el conocimiento de la distancia entre el satélite y la superficie de la Tierra, esto a su vez se puede convertir en una medida del resplandor proveniente del área observada. Y con eso tenemos una de las mediciones fundamentales en la teledetección —el resplandor proveniente de un área bien definida en la superficie de la Tierra.

Calibración

En el apartado anterior, se mencionó que la tensión generada por un elemento detector puede convertirse en densidad de flujo radiante o radiancia con una calibración adecuada. Dicha calibración se realiza para todos los sensores antes del lanzamiento exponiéndolos a luz de diferentes niveles de radiancia conocida, anotando el voltaje creado por cada exposición. A partir de esto, se puede crear una ecuación de conversión simple, típicamente lineal o casi lineal, para convertir entre voltaje y radiancia. Un ejemplo del tipo de configuración necesaria para realizar dicha calibración se muestra en la Figura 18.

18: Esfera integradora utilizada para la calibración del sensor. Esfera Comercial Integradora por Industrias Electro Ópticas, Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0.

Detección multiespectral

Hasta ahora hemos ignorado el hecho de que la mayoría de los sensores satelitales están diseñados para detectar radiancia en múltiples rangos distintos de longitudes de onda, cada uno produciendo lo que se conoce como una 'Banda'. El campo de luz entrante que llega al sensor es en el caso de la luz solar reflejada siempre una mezcla de radiación con muchas longitudes de onda diferentes, por lo que para separarlas y medir la luminosidad de distintos rangos de longitudes de onda individualmente se requiere un paso adicional más allá de lo que se ha descrito anteriormente. Se utilizan diferentes tipos de tecnologías para realizar este paso, la más simple de las cuales se basa en un divisor de haz. Un divisor de haz se puede considerar como una especie de prisma elegante que redirige la radiación electromagnética dentro de un rango definido de longitudes de onda en una dirección, mientras permite que la radiación con otras longitudes de onda se mueva sin obstáculos. Luego se pueden colocar múltiples sensores individuales en las ubicaciones adecuadas en el sensor de imagen, con el CCD destinado a producir datos para la banda 'roja' donde el divisor de haz redirige la radiación con longitudes de onda entre 600 y 700 nm (típicamente considerada luz 'roja'), y así sucesivamente para cada individuo CCD. Otras tecnologías además de los divisores de haz están en uso, cada una de las cuales realiza la misma tarea básica de permitir que la radiación con diferentes longitudes de onda se registre por separado.

19: La idea de un divisor de haz. La radiación entra desde la fuente, y los fotones son redirigidos de acuerdo a su longitud de onda. Luego se pueden colocar tres CCD para medir la intensidad de la luz roja, verde y azul por separado. Prisma de separación de colores de Dick Lyon, Wikimedia Commons, dominio público.

Nota: En aras de la simplicidad, hemos utilizado una 'cámara' tradicional como modelo para explicar cómo los sensores ópticos pasivos detectan y miden la radiación electromagnética entrante. Si bien las cámaras de cuadro tradicionales siguen siendo el instrumento de elección en la industria de la fotografía aérea, y en el creciente campo de la teledetección basada en drones, los sensores ópticos pasivos a bordo de los satélites toman una de otras dos formas: los escáneres de escoba o escoba batidora. Los detalles de estos sistemas de detección están fuera del alcance de estas notas, pero aquí se proporciona información básica:

• Un escáner de escoba de empuje está hecho de una serie de CCD unidimensionales, cada uno de los cuales consta típicamente de varios miles de detectores individuales en una fila. Cada CCD se coloca cuidadosamente en el instrumento, 'después' de un divisor de haz, para registrar la radiación en lo que se convierte en una banda, más o menos como se muestra en la Figura 19. El instrumento no tiene obturador, más bien los CCD registran la radiación entrante desde una línea muy ancha y estrecha en la Tierra, llegando de un lado de la franja suborbital al otro. Estas mediciones se convierten en una línea (fila) en una imagen de satélite. A medida que el satélite se mueve a lo largo de su órbita, se registra otra línea, luego otra, y otra, hasta que se han medido miles de líneas. Estos son entonces todos juntos para formar una imagen.
• Un escáner de escoba se basa en un espejo de barrido giratorio para dirigir la radiación desde diferentes partes de la superficie de la Tierra hacia un número menor de CCD. La posición del espejo en cualquier momento dado se puede utilizar para calcular la dirección desde la que la radiación medida llegó al sensor. Dichas mediciones, con la información de geolocalización correspondiente, se toman en rápida sucesión, y finalmente se juntan como una imagen.