Tecnología de Sensores Multiespectrales y Espectro Electromagnético

Introducción a la Teledetección

La teledetección se define como el conjunto de procesos que comprenden la adquisición de datos (imágenes) en diferentes partes del espectro mediante sensores instalados en satélites, aviones, avionetas o drones. Su procesamiento permite detectar, identificar, analizar y clasificar las cubiertas terrestres, así como otros fenómenos que ocurren en la superficie de la Tierra y en la atmósfera.

La Radiación Solar y el Sensor Digital

El Sol actúa como la principal fuente de iluminación, emitiendo una radiación incidente que atraviesa la atmósfera. Durante este trayecto, una parte de la radiación es absorbida y otra es reflejada. Esta radiación incluye tanto la luz visible (del violeta al rojo) como la infrarroja.

El sensor digital multiespectral registra la radiación reflejada y genera matrices numéricas de píxeles que corresponden a diversas bandas: azul, verde, rojo e infrarrojo próximo (NIR). Posteriormente, el satélite envía estos datos a una antena terrestre que procesa y distribuye las imágenes a los usuarios. Estas tecnologías tienen una aplicación fundamental en la elaboración de mapas de cultivos e índices de vegetación.

Características y Resoluciones de las Imágenes Satelitales

Las imágenes satelitales son de naturaleza multiespectral porque se adquieren línea a línea a medida que el satélite avanza, dividiendo la información en capas o bandas numéricas. Su calidad técnica depende de cuatro tipos de resoluciones:

• Resolución Espectral: Se refiere al número de bandas espectrales que un sensor puede registrar.
• Resolución Espacial: Es el tamaño del objeto más pequeño que se puede distinguir en la imagen. Equivale al tamaño del píxel; a menor tamaño de píxel, mayor es el detalle del terreno. Depende de la altura de vuelo y la calidad del zoom.
• Resolución Temporal: Es el tiempo que tarda un satélite en volver a tomar una imagen del mismo punto de la superficie terrestre (frecuencia de paso).
• Resolución Radiométrica: Representa la capacidad del sensor para distinguir variaciones en la escala de grises (intensidad de la luz reflejada) y se mide en bits.

Energía y Espectro Electromagnético

La Energía Electromagnética (EE) es energía propagada a través del espacio a la velocidad de la luz, siguiendo un modelo armónico ondulatorio (ondas que ocurren a igual intervalo de tiempo), con un componente magnético y otro eléctrico. El patrón de ondas se caracteriza por su velocidad, longitud de onda y frecuencia.

Físicamente, la EE se comporta como un chorro de partículas llamadas fotones que transportan energía. Los fotones no tienen peso ni masa y son los responsables de transportar la energía en forma de ondas electromagnéticas. Existe una relación inversa: a mayor frecuencia, menor longitud de onda y mayor energía.

Conceptos Clave del Espectro

• Espectro electromagnético: Es el rango de todas las longitudes de onda posibles de la energía electromagnética.
• Ventanas atmosféricas: Son los rangos de longitud de onda en los que la atmósfera terrestre es relativamente transparente, permitiendo el paso de la radiación sin que sea absorbida o dispersada significativamente. Las principales son: espectro visible, infrarrojo reflejado, infrarrojo térmico y microondas.

Medición de la Radiación: Radiancia vs. Reflectancia

Es crucial distinguir entre lo que el sensor capta y el estado real del objeto:

• Radiancia Espectral (lo que ve el sensor): Es el flujo de radiación reflejada por la superficie que llega al sensor dentro de un ángulo sólido específico. El satélite mide la energía física real, la cual cambia constantemente según la hora del día, dificultando la comparación directa entre cultivos.
• Reflectancia Espectral (la firma del cultivo): Es el valor normalizado que muestra el estado real del cultivo, independientemente de la luz solar existente en el momento de la captura. Es la magnitud con la que realmente se trabaja al procesar imágenes, ya que elimina el efecto de la luz solar, proporcionando una curva estable.

Interacción Atmosférica y Dispersión de Rayleigh

La dispersión atmosférica, específicamente el efecto Rayleigh, ocurre cuando la radiación solar interactúa con las partículas y moléculas de gas de la atmósfera. Las longitudes de onda más cortas se dispersan mucho más, lo que desvía la luz hacia el sensor del satélite antes de que toque el suelo. Esto genera un valor registrado "contaminado". Por ello, distinguimos entre:

• Imagen TOA (Top of Atmosphere): Datos sin corregir.
• Imagen BOA (Bottom of Atmosphere): Datos corregidos atmosféricamente.

La Región Visible y la Formación del Color

La región visible es la parte del espectro a la que es sensible el ojo humano y coincide con las longitudes de onda donde la radiación solar es máxima. Al pasar la luz blanca por un prisma, esta se descompone en colores aditivos primarios: azul, verde y rojo.

Tipos de Imágenes y Procesos de Color

• Imagen Pancromática: Si la luz blanca se registra en un sensor sin separar los colores, la información se guarda como una única banda en blanco y negro.
• Imagen en Color Real: Se obtiene al asociar cada banda captada por el satélite al color del monitor que le corresponde por naturaleza en el espectro visible.
• Proceso Aditivo: Adición de luz emitida desde los colores primarios (Rojo, Verde, Azul - RGB). Se utiliza en monitores y televisores.
• Proceso Sustractivo: Mezcla de tintas de colores secundarios (Cian, Magenta, Amarillo - CMY). Se usa en impresoras, añadiendo el negro (K) para no saturar el uso de tintas.

Infrarrojo y Microondas

El Infrarrojo es una región muy extensa que se subdivide en:

• Infrarrojo Reflejado: Importante en el infrarrojo próximo por su capacidad para distinguir especies vegetales.
• Infrarrojo Térmico: Corresponde a la energía térmica emitida por la Tierra tras su calentamiento.

Para visualizar el infrarrojo, se recurre a la Imagen en Falso Color (por ejemplo: asignar el rojo al IR, el verde al rojo y el azul al verde), donde la vegetación sana suele aparecer en color rojo intenso.

Finalmente, las Microondas (Radar) se caracterizan por su capacidad para penetrar nubes, vapor de agua y los primeros centímetros del suelo. A diferencia de los sensores pasivos, estos requieren fuentes de energía artificial.