En los últimos años, los satélites de observación de la Tierra han generado grandes cantidades de datos geoespaciales que están disponibles gratuitamente en plataformas web.
Este curso de Sensores Remotos está orientado para estudiantes de geociencias con el objeto de aprender a utilizar estas herramientas de teledetección en geología. El curso comprende la teoría general de sensores remotos y procesamiento de imágenes de satélite utilizando dos plataformas: Google Earth Engine (GEE) y openEO.
El procesamiento de imágenes es una herramienta ampliamente utilizada actualmente, adquirir estas herramientas seguramente le ampliará sus perspectivas profesionales en el campo de las geociencas aplicada en ingeniería.
Para tomar el curso se recomienda al estudiante tener conocimientos básicos en SIG, geología, geomorfología, y geología estructural. De esta forma el estudiante podrá sacar el máximo beneficio del contenido del curso.
En cualquier caso se recomienda que revise su carga académica para este semestre, y tome una decisión responsable si tiene el tiempo suficiente para dedicarle a este curso. Seguramente otro año lo podría tomar. Por que en caso contrario tiene altas posibilidades de perder el curso
Este curso es muy fácil de ganar. . . pero hay que trabajar mucho.
Los sensores remotos (teledetección) es el arte, ciencia y tecnología de observar un objeto, escena o fenómeno por técnicas basadas en instrumentos. El término remoto se refiere a la observación realizada a una distancia sin contacto físico con el objeto de interés. Se puede utilizar herramientas de detección y despliegue en tiempo real o una herramienta que registra la energía, la cual es emitida o reflejada desde el objeto o la escena en observación. La energía puede ser luz u otra forma de radiaciones electromagnética, campos de fuerza o energía acústica.
En 1972 es lanzado el ERTS-1, el primer satélite para estudiar los recursos de la tierra, mas tarde renombrado Landsat 1.
Existen tres formas de transferencia de energía:
Resolving power of the film: Line pairs per milimiter (LPM). For example the width of a line and its adjacent gap is measure to be 0.04 mm; the 1 line pair/0.04mm we find a resolution of 25 LPM.
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The whole is other than the sum of the parts – Kurt Koofka
Bastones (rod): brillo (intensidad). Tienen la misma sensibilidad de frecuencia (0,55 um). A baja luz vemos monocromático
Conos: colores (frecuencia). Sensibles longitudes de onda del azul, verde y rojo, cuando lo tres tipos de conos son estimulados de forma percibimos el color blanco. El ojo humano discrimina más colores que tonos de grises
Cambio en la posición de los objetos estacionarios debido al cambio en la posicion del observador. Los desplazamientos del paralaje ocurren solamente paralelos a la línea de vuelo, y es directamente porporcional a la altura de los objetos
Es la diferencia de las distancias entre los puntos principales y las imágenes homologas, medidas paralelas a la línea de vuelo.
Es directamente porporcional a la altura de los objetos.
Inversión del relieve
Dendritic patterns, which are by far the most common, develop in areas where the rock (or unconsolidated material) beneath the stream has no particular fabric or structure and can be eroded equally easily in all directions. Examples would be granite, gneiss, volcanic rock, and sedimentary rock that has not been folded.
Trellis drainage patterns typically develop where sedimentary rocks have been folded or tilted and then eroded to varying degrees depending on their strength.
Rectangular patterns develop in areas that have very little topography and a system of bedding planes, fractures, or faults that form a rectangular network.
Parallel drainage system is a pattern of rivers caused by steep slopes with some relief. Because of the steep slopes, the streams are swift and straight, with very few tributaries, and all flow in the same direction. A parallel pattern also develops in regions of parallel, elongate landforms like outcropping resistant rock bands.
Gentle: Contour lines showing a uniform, gentle slope will be evenly spaced and wide apart. Easy walking
Steep: Contour lines showing a uniform, steep slope on a map will be evenly spaced, but close together. Very challenging, or impossible walking (i.e. contour lines may be so close that they create an impassable cliff line).
Concave: Contour lines showing a concave slope on a map will be closely spaced at the top of the terrain feature and widely spaced at the bottom. Bushwalkers going up the slope will find the terrain increasingly steep and challenging.
Convex: Contour lines showing a convex slope on a map will be widely spaced at the top and closely spaced at the bottom. Bushwalkers going down the slope cannot observe most of the slope or the terrain at the bottom, so extra care must be taken when route finding.
Peak = a mountain with a pointed top.
Saddle: A saddle is a dip or low point between two areas of higher ground. A saddle is not necessarily the lower ground between two hilltops; it may be simply a dip or break along a level ridge crest. When standing in a saddle, there is high ground in two opposite directions and lower ground in the other two directions. A saddle typically looks like an hourglass.
Gully: a gully is a stretched-out groove in the land, usually formed by a watercourse, and has high ground on three sides. Depending on its size and location water sometimes flows through it, from high to low. Contour lines forming a gully are either U-shaped or V-shaped. To determine the direction water is flowing, look at the contour lines. The closed end of the contour line (U or V) always points upstream or toward high ground. A valley is a large gully, often very flat, wide and open with a large watercourse running through it.
Ridge: a ridge is a sloping line of high ground. When standing on the centerline of a ridge, there is usually low ground in three directions and high ground in one direction with varying degrees of slope. When crossing a ridge at right angles, there is a steep climb to the crest and then a steep descent to the base. When moving along the path of the ridge, depending on the geographic location, there may be either an almost unnoticeable slope or a very visible incline. Contour lines forming a ridge tend to be U-shaped or V-shaped. The closed end of the contour line points away from high ground.
Spur: A spur is a short, continuous sloping line of higher ground, normally jutting out from the side of a ridge. A spur is often formed by two roughly parallel streams cutting draws down the side of a ridge. The ground will slope down in three directions and up in one. Contour lines on a map depict a spur with the U or V pointing away from high ground.
Cliff: A cliff is a vertical or near vertical feature; it is an abrupt change of the land. When a slope is so steep that the contour lines converge into one “carrying” contour of contours, this last contour line sometimes has tick marks pointing toward low ground (image below). Cliffs are also shown by contour lines very close together and, in some instances, touching each other.
Los detectores son definidos como instrumentos que reciben un flujo de energía y proporcionan una señal.
GRD = H(m)/f(mm)*R(LPM)
El procesamiento de imágenes está interesado:
La relación entre la resolución espacial y la escala está mediada por el AMC (mínima área de un elemento que debe ser representado en un mapa)
Regla de Waldo Tobler --> Map scale = raster resolution (in meters) x 2 x 1000
La firma espectral se define como el comportamiento diferencial que presenta la radiación reflejada (reflectancia) o emitida (emitancia) desde algún tipo de superficie u objeto terrestre en los distintos rangos del espectro electromagnético. Una forma gráfica de estudiar este comportamiento es disponer los datos de reflectancia (%) en el eje Y y la longitud de onda λ en el eje X. Al unir los puntos con una línea continua se origina una representación bidimensional de la firma espectral.
Existen una gran cantidad de procedimientos para el análisis de imágenes de satélite. En este curso nos concentraremos en 4 de ellas:
Cualquier imagen adquirida por un sensor remoto presenta una serie de alteraciones radiométricas y geométricas.
| Nivel | Producto Clave | Corrección Principal | Uso Principal / Estado |
|---|---|---|---|
| Nivel 0 (L0) | Telemetría Pura (Binario) | Ninguna | Exclusivo de agencias espaciales. |
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Nivel 1 (L1) |
1A: DNs Crudos (Ordenados) | Descompresión | Calibración de sensor (raro). |
| 1B: Radiancia TOA (en Sensor) | Calibración Radiométrica | Base científica. Contiene distorsión por relieve. | |
| 1T: Radiancia TOA Ortorrectificada | Corrección Geométrica (DEM+GCPs) | Estándar para mapeo y análisis visual. | |
| Nivel 2 (L2) | Reflectancia Superficial (SR) / T° (LST) | Corrección Atmosférica | Análisis científico cuantitativo. |
| Nivel 3 / 4 |
Compuestos (L3) / Salidas de Modelo (L4) | Agregación temporal / Modelado | Análisis regional (L3) / Aplicaciones científicas avanzadas. |
| Sensor y Plataforma (Interna) | Tierra y Observación (Externa) | Medio (Atmosférica) |
|---|---|---|
Actitud (Attitude):
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Desplazamiento por Relieve:
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Refracción Atmosférica:
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Sistema de Barrido:
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Rotación de la Tierra (Coriolis):
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Óptica:
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Curvatura de la Tierra:
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| Método | Base del Modelo | Puntos Clave / Uso |
|---|---|---|
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Paramétricos (Físicos) (Ej. Colinealidad, Orbital) |
Basado en la física del sensor y la plataforma (posición, actitud, telemetría). |
Es el más preciso. Modela la geometría de adquisición exacta.
Requiere un DEM para Ortorectificación (corregir relieve). |
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No Paramétricos (Empíricos) (Ej. Polinomios, Splines) |
Basado en matemáticas (transformación 2D) y Puntos de Control Terrestre (GCPs). Ignora la física. |
"Rubber sheeting". Simple de aplicar.
No corrige el desplazamiento por relieve! Solo útil para terreno plano. |
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Híbrido (Estándar Moderno) (Ej. RPCs) |
Abstracción (Funciones Racionales) que mapea 3D (Lat, Lon, Alt) a 2D (fila, col). |
Universal, eficiente y oculta la física.
USO: Software + RPC + DEM = Ortorectificación. |
$L_{sensor} = L_{superficie} + L_{atmosfera} + L_{sensor\_error}$
| Etapa / Producto | Objetivo (El Problema) | Corrección (La Solución) |
|---|---|---|
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Etapa 1: Calibración Producto: L1T (Radiancia TOA) |
Problema: Errores del hardware.
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Solución: Aplicar coeficientes Gain y Offset (de los metadatos) a cada detector.
$L_{TOA} = (Gain \cdot DN) + Offset$
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Etapa 2: Corrección Atmosférica Producto: L2 (Reflectancia) |
Problema: Contaminación atmosférica.
|
Solución (Métodos):
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Etapa 3: Normalización (BRDF/Topo) Producto: L2 (Reflectancia Normalizada) |
Problema: Iluminación variable (sombras).
|
Solución:
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Solar correction accounts for solar influences on pixel values. Solar correction converts at-sensor radiance to top-of-atmosphere (TOA) reflectance by incorporating exoatmospheric solar irradiance (power of the sun), Earth-Sun distance, and solar elevation angle
The energy that is captured by Landsat sensors is influenced by the Earth’s atmosphere. These effects include scattering and absorption due to interactions of the electromagnetic radiation with atmospheric particles (gases, water vapor, and aerosols)
Topographic correction account for illumination effects from slope, aspect, and elevation that can cause variations in reflectance values for similar features with different terrain positions (Riaño etal. 2003).
| Categoría | Objetivo (El Problema) | Métodos Principales y Relevancia |
|---|---|---|
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1. Realce de Contraste (Ajuste Radiométrico) |
Problema: Imagen "plana". Datos de 16-bit (sensor) en un rango estrecho, pero monitor de 8-bit (visual).
Objetivo: "Estirar" (stretch) el histograma de interés (ej. 2%-98%) para que ocupe todo el rango visual (0-255). |
|
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2. Realce Espacial (Filtros de Convolución) |
Problema: Texturas, bordes y líneas no son claros.
Objetivo: Modificar un píxel basándose en sus vecinos (usando un "kernel" de convolución). |
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3. Realce Espectral (Combinación de Bandas) |
Problema: Info. de material/minerales está "oculta". Sombras topográficas contaminan el brillo.
Objetivo: Crear nueva información combinando bandas para cancelar ruido y realzar materiales. |
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Es un proceso matemático que reproyecta $n$ bandas en un nuevo espacio para reducir redundancia y extraer señales.
| Técnica | Tipo / Concepto | Componentes Clave | Uso Geológico y Limitación |
|---|---|---|---|
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PCA (Análisis Comp. Principales) |
Estadística (No Supervisada) Depende de las estadísticas de esta imagen. |
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Uso: Realce visual (composición RGB de PC2, PC3, PC4) para identificar litología/alteración.
Limitación: Resultados abstractos. No comparable entre fechas. |
| Tasseled Cap (TC) |
Física (Fija / Supervisada) Coeficientes fijos por sensor. |
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Uso: ¡Análisis cuantitativo de series de tiempo! Monitoreo de TC3 (Humedad) para precursores de deslizamientos.
Ventaja: Componentes físicos. Totalmente comparable entre fechas. |
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IHS (Intensidad, Tono, Saturación) |
Fusión de Datos (Espacio de Color) Transforma RGB $\to$ IHS. |
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Uso: Fusión "Pan-Sharpening". Reemplazar "I" (baja res.) con Banda PAN (alta res.) $\to$ Imagen nítida a color.
Limitación: Solo para visualización. Causa alta distorsión espectral. |
La comparación de la fase de dos o más imágenes de radar de una escena determinada adquiridas desde posiciones ligeramente diferentes o en momentos diferentes, es la idea básica de la interferometría SAR
Un interferograma diferencial se construye utilizando (i), un método de dos pasos en el que se utiliza un modelo de elevación digital externo (digital elevation model, DEM) y se resta del interferograma, y (ii), un método de tres pasos en el que se utiliza otra adquisición de SAR para crear un par topográfico con una de las otras dos adquisiciones, y se supone que el par no tiene deformación y el interferograma del par topográfico se resta del interferograma del par de deformación
El diferencial InSAR es el proceso de eliminar la topografía del interferograma aplanado para obtener la señal de deformación del terreno.