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PERCEPCION REMOTA I
GED 501 A
Profesor Luis Miguel González
RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA Exceptuando a los objetos que se encuentran a una
temperatura de cero absoluto, todos los demás emiten
radiación electromagnética. Los objetos también reflejan la
radiación que ha sido emitida por otros objetos. Por medio
del registro de la radiación emitida o reflejada y aplicando
lo que se conoce de su comportamiento cuando viaja por
la atmosfera de la Tierra y de su interacción con los
objetos, el analista de percepción remota llega a conocer
las características de las diferentes coberturas que se
encuentran sobre la superficie terrestre tales como
vegetación, estructuras, suelos, rocas o cuerpos de agua.
La interpretación de las imágenes de la percepción remota
necesita que se comprenda bien lo relativo a la radiación
electromagnética y su interacción con las superficies y la
atmosfera.
La forma mas familiar de radiación electromagnética es la
luz visible, que forma una pequeña (pero importante) parte
del espectro electromagnético completo. La gran porción
de este espectro que se encuentra fuera de la capacidad
de la visión humana requiere de atención especial porque
puede comportarse de formas que son extrañas en
relación a nuestra experiencia diaria con la radiación
visible
EL ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO
La energía electromagnética se genera por medio de varios
mecanismos, incluyendo cambios en los niveles de energía
de los electrones, aceleración de cargas eléctricas,
decaimiento de sustancias radiactivas, y el movimiento
térmico de átomos y moléculas. Las reacciones nucleares
que ocurren dentro del Sol producen un espectro completo de
radiación electromagnética, la cual es transmitida por el
espacio sin que experimente grandes cambios. A medida que
esta radiación se acerca a la Tierra, pasa a través de la
atmosfera antes de llegar a la superficie de la Tierra. Una
parte es reflejada hacia arriba desde la superficie terrestre;
esta es la radiación que forma la base para las fotografías y
las imágenes satelitales. Otra parte de la radiación solar se
absorbe en la superficie de la Tierra y luego es re – radiada
como energía termal. Esta energía termal también puede ser
utilizada para formar imágenes de percepción remota,
aunque difieren bastante de las fotografías aéreas que se
forman con la energía reflejada.
La radiación electromagnética consiste de un campo eléctrico (E) que varia en magnitud en una dirección perpendicular a su dirección de propagación (ver Figura). Además, un campo magnético (H) se propaga orientado haciendo un ángulo recto al campo electrico y en fase con el mismo.
La energía electromagnética puede ser
caracterizada por medio de varias
propiedades (ver Figura)
1. La longitud de onda es la distancia
desde la cresta de una onda hasta la
cresta de la siguiente. La longitud de
onda puede ser medida en unidades de
longitud de uso diario, aunque las
longitudes de onda muy cortas tienen
una distancia entre crestas tan pequeña
que se necesitan unidades de medida
que son muy pequeñas (y por
consiguiente menos familiares).
2. La frecuencia es una medida del
numero de crestas que pasan por un
punto fijo en el espacio en un periodo de
tiempo dado. La frecuencia
frecuentemente se mide en hertz, que
son unidades equivalentes a un ciclo por
segundo, y en múltiplos de hertz.
3. La amplitud es equivalente a la altura
de cada pico. La amplitud se mide
frecuentemente como niveles de energia
(formalmente conocidos como
irradiancia espectral, expresados como
watts por metro cuadrado por
micrómetro (o sea, nivel de energía por
intervalo de longitud de onda).
4. Además, la fase de una onda
especifica hasta que punto los picos de
una onda se alinean con los de otra.
Amplitud, frecuencia y longitud de onda. El segundo diagrama
representa una frecuencia alta y una longitud de onda corta; el
tercero representa frecuencia baja y longitud de onda larga. El
ultimo diagrama representa dos ondas que están fuera de fase.
La velocidad de la energía electromagnética (c) es constante con un valor de 299,792 kilómetros por segundo. La frecuencia (ν) y la longitud de onda (λ) estan relacionadas por medio de la relación:
c = ν λ
Dado que c es esencialmente una constante (≈3 x 108 m/seg), la frecuencia ν y la longitud de onda λ están relacionadas de manera inversa, y cualquiera de los dos términos puede ser utilizado para caracterizar una onda
La energía electromagnética es una mezcla de ondas con diferentes frecuencias o longitudes
de onda. En la figura cada onda representa energía que varia a una longitud de onda dada.
DIVISIONES PRINCIPALES DEL ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO
Las divisiones principales del espectro
electromagnético se han definido,
básicamente, de manera arbitraria. En
el espectro completo de la energía
solar no existen cortes drásticos en
las divisiones, tal como lo sugiere la
figura. Las subdivisiones se
establecen por conveniencia y por
tradiciones dentro de distintas
disciplinas, así que no hay que
sorprenderse de que en otras
disciplinas se encuentres definiciones
distintas.
EL ESPECTRO VISIBLE
Aunque el espectro visible constituye una
porción pequeña del espectro completo,
tiene significados obvios en percepción
remota. Los limites del espectro visible
están definidos por la sensibilidad del
sistema visual humano. Las propiedades
ópticas de la radiación visible fueron
investigadas primero por Isaac Newton
(1641-1727), que realizó en 1666
experimentos que revelaron que la luz
visible puede ser dividida (usando
prismas, o en nuestros tiempos, rejillas de
difracción) en tres segmentos. Hoy
conocemos a estos segmentos como los
aditivos primarios, definidos
aproximadamente por 0.4 a 0.5 µm (azul),
0.5 a 0.6 µm (verde), y 0.6 a 0.7 µm (rojo)
(ver figura). Los colores primarios se
definen de tal manera que ningún color
primario puede ser formado por una
combinación de los otros dos y que todos
los otros colores se pueden formar usando
una mezcla de los colores primarios en las
proporciones adecuadas. Si se combinan
proporciones iguales de los tres aditivos
primarios se forma luz blanca.
El color de un objeto esta dado por
el color de la luz que refleja (ver
figura). De manera que un objeto
“azul” es “azul” porque refleja luz
azul. Los colores intermedios se
forman cuando un objeto refleja dos
o mas de los aditivos primarios, que
se combinan para crear la sensación
de “amarillo” (rojo y verde),
“purpura” (rojo y azul”, o los otros
colores.
Como decíamos, en percepción remota, lo más común es el categorizar las ondas electromagnéticas por medio de la ubicación de su longitud de onda dentro del espectro electromagnético. La unida que prevalece para medir la longitud de onda a lo largo del espectro es el micrómetro (µm). Un micrómetro es igual a 1 x 10-6 m.
La porción “visible” de dicha grafica es extremadamente pequeña, dado que la sensibilidad espectral del ojo humano se extiende solamente desde unos 0.4 µm hasta aproximadamente 0.7 µm. El color “azul” se asigna al rango aproximado de 0.4 a 0.5 µm, el “verde” de 0.5 hasta 0.6 µm y el rojo de 0.6 hasta 0.7 µm. . La energía ultravioleta (UV) está junto a la porción azul de la parte visible del espectro. Junto al lado del rojo de la parte visible del espectro se ubican tres categorías diferentes de ondas infrarrojas (IR): infrarrojo cercano (desde 0.7 hasta 1.3 µm) infrarrojo medio (desde 1.3 hasta 3 µm); esta región también es conocida como infrarrojo de onda corta (o SWIR), y el infrarrojo termal (desde 3 hasta 14 µm). En longitudes de onda mucho más grandes (1 mm hasta 1 m) se ubica la porción de microondas del espectro.
Otra vista de la porción “visible” del espectro. Vemos como es extremadamente pequeña,
dado que la sensibilidad espectral del ojo humano se extiende solamente desde unos 0.4
µm hasta aproximadamente 0.7 µm. El color “azul” se asigna al rango aproximado de 0.4 a
0.5 µm, el “verde” de 0.5 hasta 0.6 µm y el rojo de 0.6 hasta 0.7 µm.
La mayoría de los sistemas de percepción remota operan en una o varias de las
porciones del visible, del infrarrojo y de las microondas.
La porción ultravioleta o UV del
espectro tiene las longitudes de onda
mas pequeñas que son practicas para la
percepción remota. Esta radiación se
encuentra justo después de la porción
violeta de las longitudes de onda visible,
y de allí su nombre.
La luz que nuestros ojos pueden detector es parte del espectro visible. Es importante el darse cuenta de que tan pequeña es la parte visible con relación al resto del espectro. Existe mucha radiación alrededor de nosotros que es “invisible” para nuestros ojos, pero que puede ser detectada por instrumentos de percepción remota para ser utilizada para cosas útiles.
Las longitudes de onda visibles cubren un rango de 0,4 a 0,7 μm aproximadamente. La longitud de onda más larga es el rojo y la más corta es el violeta. Listamos abajo las longitudes de onda más comunes que percibimos como determinados colores de la porción visible del espectro. Es importante darse cuenta de que esta es la única porción del espectro que podemos asociar con el concepto de colores
Violeta: 0,4 – 0,446 μm
Azul : 0,446 – 0,500 μm
Verde: 0,5000 – 0,578 μm
Amarillo: 0,578 – 0,592 μm
Naranja: 0,592 – 0,620 – 0,592 μm
Rojo: 0,620 – 0,7 – 0,592 μm
Como ya mencionamos, el azul, el verde, y el rojo son los colores primarios o longitudes de onda del espectro visible. Se definen de esta forma porque ninguno de los colores primarios puede ser creado a partir de los otros dos, pero todos los otros colores pueden ser formados por medio de la combinación de azul, verde y rojo en diferentes proporciones.
Aunque vemos a la luz del sol como uniforme o de un color homogéneo, en realidad esta compuesta de varias longitudes de onda de radiación, principalmente en las porciones ultravioleta, visible e infrarrojo del espectro.
Los colores que componen la parte visible de esta radiación pueden verse cuando la luz del sol se pasa por un prisma, el cual desvía la luz en cantidades diferentes dependiendo de la longitud de onda.
La siguiente porción del espectro que es de interés es la región del infrarrojo (IR), la cual cubre un rango de longitudes de onda desde 0,7 μm a 15 μm aproximadamente – mas de 40 veces el ancho de la porción visible!
La región del infrarrojo puede ser dividida en dos categorías basados en sus propiedades de radiación – el infrarrojo reflejado y el infrarrojo termal o emitido. La radiación que se refleja en la región del infrarrojo se utiliza en percepción remota de manera muy similar a la radiación en la porción visible.
El infrarrojo reflejado cubre longitudes de onda de 0,7 μm a 3.0 μm aproximadamente. La región termal del infrarrojo es bastante diferente de las porciones visibles e infrarrojas, dado que esta energía es esencialmente radiación que es emitida desde la superficie de la Tierra en forma de calor.
El infrarrojo termal cubre longitudes de onda desde 3,0 hasta 100 μm.
La porción del espectro que de mas
reciente interés para la teledetección es la
región de las microondas, cuyas
longitudes de onda varían entre 1 mm
hasta 1 m. Las longitudes de onda mas
cortas tiene propiedades similares la la
región del infrarrojo termal, mientras que
las longitudes de onda mas largas se
aproximan a las que se utilizan para las
transmisiones de radio.
La energía electromagnética es el medio por el cual la información es transmitida desde un objeto hasta un sensor. La información puede estar codificada (contenida) en la frecuencia, la intensidad o la polarización de la onda electromagnética. La información se propaga a través de la radiación electromagnética, a la velocidad de la luz desde la fuente, ya sea directamente a través del espacio libre o indirectamente por medio de la reflexión, dispersión, re-radiación hacia el sensor.
Para entender la percepción remota es importante
considerar dos características de la radiación
electromagnética. Estas son la longitud de onda y
la frecuencia.
La longitud de onda es la longitud de un ciclo de
onda, que puede medirse como la distancia entre
crestas; y se representa generalmente con la letra
griega lamba (λ) sucesiva. La longitud de onda se
mide en metros (m) o en algún factor de metros
tales como micrómetros (μm, 10-6 m). La
frecuencia se refiere al numero de ciclos de onda
que pasan por un punto fijo por unidad de tiempo.
La frecuencia se mide normalmente en hertz (Hz),
equivalente a un ciclo por segundo. Hemos visto
que la longitud de onda y la frecuencia están
relacionados por la siguiente formula
c = λν, donde
λ = longitud de onda (m)
ν = frecuencia (ciclos por segundo, Hz)
c = velocidad de la luz ((≈3 x 108 m/seg),. Por
lo tanto, las dos se relaciona de manera
inversa una con la otra. Mientras mas
pequeña es la longitud de onda, mayor es la
frecuencia.
En este caso las ondas electromagnéticas que provienen del sol interactúan de
diferente manera con las distintas coberturas del suelo, cambian algunas de
sus características y son registradas en el sensor a bordo del satélite.
Las Ecuaciones de Maxwell
El comportamiento de las ondas electromagnéticas en el espacio libre es determinado
por las ecuaciones de Maxwell: (E = vector eléctrico, D = vector de desplazamiento, H
= vector magnético, B = vector de inducción, μ0, ε0, μr, εr, son coeficientes)
Ecuaciones de onda y su solución.
Las ecuaciones de Maxwell pueden combinarse para obtener la ecuación de onda
para el caso de un campo sinusoidal:
La solución para esta ecuación diferencial es como aparece abajo, donde A es la amplitud de la onda, ω es la frecuencia angular, φ es la fase, y k es el vector de onda (k = 2π….), λ = longitud de onda = 2πc/ω, c = velocidad de la luz en el vacío. La frecuencia de la onda se define como ν = ω/2π.
Los instrumentos de percepción remota utilizan diferentes aspectos de la solución de la ecuación de onda con el fin de saber más acerca de las propiedades del medio a partir del cual la radiación está siendo observada o percibida.
Por ejemplo, la interacción que ocurre entre las ondas electromagnéticas y las superficies naturales depende mucho de la frecuencia de las ondas. Esto se manifestará como cambios en la amplitud [la magnitud de A en la ecuación (2-10)] de la onda que se recibe ya que la frecuencia de la observación cambia. Este tipo de información es registrada por medio de instrumentos multiespectrales tales como el Mapeador Temático LandSat (LandSat Thematic Mapper).
En otros casos se puede inferir información acerca de las propiedades eléctricas y la geometría de la superficie observando la polarización (los componentes vectoriales de A en la ecuación (2-10).
Este tipo de información se registra por medio de polarímetros y radares polarimétricos. En cambio, los radares y los lidares de tipo Doppler miden el cambio en la frecuencia entre las ondas transmitidas y recibidas con el objetivo de inferir la velocidad con la que un objeto se está moviendo.
Esta información esta contenida en la frecuencia angular ω de la onda de la ecuación (2-10). La cantidad kr – ωt + φ en la ecuación (2-10) se conoce como la fase de la onda. Esta fase cambia una cantidad igual a 2π cada intervalo de tiempo en que la onda se mueve a través de una distancia igual a la longitud de onda λ. De manera que el medir la fase de una onda proporciona una forma extremadamente exacta de medir la distancia que dicha onda ha viajado.
