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La percepcin remota: nuestros ojos desde el espacio

La Percepcin Remota: Nuestros Ojos Desde el

Espacio.

B i b l i o t e c a s I L S E

Autor: JORGE LIRA

COMIT DE SELECIN EDICIONES

DEDICATORIA PRLOGO I. INTRODUCCIN

II. SISTEMAS DE APTURA DE IMGENES

III. ELEMENTOS PARA EL ANLISIS DE UNA IMAGEN

DIGITAL. IV. APLICACIONES

V. CONCLUSIONES CONTRAPORTADA

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C O M I T D E S E L E C C I N

Dr. Antonio Alonso

Dr. Juan Ramn de la Fuente

Dr. Jorge Flores

Dr. Leopoldo Garca-Coln

Dr. Toms Garza

Dr. Gonzalo Halffter

Dr. Guillermo Haro

Dr. Jaime Martuscelli

Dr. Hctor Nava Jaimes

Dr. Manuel Peimbert

Dr. Juan Jos Rivaud

Dr. Emilio Rosenblueth

Dr. Jos Sarukhn

Dr. Guillermo Sobern

Coordinadora Fundadora:

Fsica Alejandra Jaidar

Coordinadora:

Mara del Carmen Faras

E D I C I O N E S

Primera edicin, 1987

Cuarta reimpresin, 1995

La Ciencia para todos es proyecto y propiedad del Fondo de Cultura Econmica, al que pertenecen tambin sus derechos.

Se publica con los auspicios de la Subsecretara de Educacin

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Superior e Investigacin Cientfica de la SEP y del Consejo

Nacional de Ciencia y Tecnologa.

D.R. 1987, FONDO DE CULTURA ECONMICA, S. A. DE C. V.

D.R. 1995, FONDO DE CULTURA ECONMICA

Carretera Picacho-Ajusco 227; 14200 Mxico, D.F.

ISBN 968-16-2568-4

Impreso en Mxico

D E D I C A T O R I A

A la memoria de mi padre: CARLOS A mi hija adorada:

ADRIANA

P R L O O

La moderna ciencia de la percepcin remota, como un mtodo de observacin a distancia de un sistema fsico, ha cobrado

importancia principalmente con el avance de la tecnologa espacial. De hecho naci como una de las tcnicas

relacionadas con las sondas espaciales Voyager enviadas a planetas cercanos al nuestro, tuvo un desarrollo acelerado con la prospeccin de los recursos naturales desde el espacio y ha

culminado en una nueva rama de la ciencia con los mtodos eficientes del anlisis de imgenes, el diseo y la construccin

de arquitecturas computacionales especiales y la fabricacin de sensores remotos de alta eficiencia. En la actualidad, la

percepcin remota tiene elementos propios de anlisis enmarcados en el mtodo cientfico que le permiten resolver diversos problemas en la investigacin experimental.

El autor ha querido presentar en esta obra una discusin de

dichos elementos desde un punto de vista conceptual, es decir, sin matemticas o formalismos lgicos, apelando a la

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intuicin y al sentido comn del lector. Aun en este contexto,

los conceptos necesarios relacionados con la percepcin remota se han cubierto con una profundidad tal, mostrando la

interrelacin que hay entre ellos, que se espera y desea que el lector termine con una nocin clara de los conocimientos novedosos e importantes que aporta esta nueva ciencia. La

mayora del material presentado aqu es indito y muchas de las ideas son de carcter original.

Algunos de los conceptos vertidos en este trabajo han sido

discutidos con mis colegas del Departamento de Percepcin Remota, a quienes estoy agradecido por su colaboracin e

inters. Por otra parte, a lo largo de los cursos que he impartido en diversos niveles y ambientes, mis alumnos me han retroalimentado con nuevos aspectos que han enriquecido

la presente obra; vayan para ellos tambin mis agradecimientos. Es mi deseo que esta contribucin

constituya un motivo ms para impulsar la percepcin remota, ciencia tan necesaria, creo yo, en las labores de prospeccin de los recursos naturales de nuestro pas y en la investigacin

experimental en general.

JORGE LIRA

I . I N T R O D U C C I N

Los satlites artificiales, los sensores remotos y el manejo de imgenes digitales por medio de

computadora, han modificado el estudio de la superficie terrestre

y la evaluacin de los recursos naturales. ;

LA EXPLORACIN del planeta Tierra ha sido una de las principales inquietudes del hombre desde la poca

prehistrica. Su atencin se ha visto atrada por una poderosa necesidad de saber qu se encuentra ms all de sus

dominios. Al principio explor el medio ambiente nicamente con sus sentidos, utilizando en primera instancia aqullos que no requeran de un contacto fsico con el objeto estudiado

(vista y odo), para posteriormente continuar con un anlisis directo por medio del tacto principalmente. En todo este

proceder, el hombre ha empleado una serie de elementos que lo identifican no nada ms como una criatura llena de inters por la investigacin, sino tambin como un ser deseoso de

dominar la naturaleza que lo rodea.

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Figura 1. Representacin de los elementos bsicos de la percepcin

remota.

As, su curiosidad y su afn por conocer el territorio donde

habita le condujeron primero a encaramarse en la copa de un rbol y posteriormente a subir a una colina o a una montaa

para tener de esta manera una visin de conjunto o lo que es lo mismo, una visin sinptica del paisaje. Aun en esta resea esquemtica de las actividades primitivas de exploracin del

hombre pueden distinguirse los elementos bsicos (Figura 1) que hoy componen la moderna ciencia de la percepcin

remota: la fuente de iluminacin, formada en este caso por el Sol que emite luz o radiacin solar; el paisaje, configurado por

todos los objetos1 presentes en el territorio explorado por el

hombre, tales como ros, colinas, vegetacin o rocas; la

escena, o sea aquella seccin o superficie del paisaje donde enfoca su inters, pudiendo ser la superficie de una roca o un valle completo; el sensor remoto, con el que se captura la luz

proveniente de la escena y que, en este caso, permite obtener una representacin visual de aquella regin del paisaje que ha

sido enfocada por el iris y el cristalino del ojo; la plataforma, que es el lugar donde se coloca o monta el sensor remoto para obtener una visin de conjunto de la escena; el sistema

de procesamiento, compuesto por el dispositivo para procesar cualitativa o cuantitativamente los datos proporcionados por

el sensor remoto acerca de la escena, los cuales, analizados e interpretados en este ejemplo por el cerebro del hombre, producen informacin valiosa en relacin al paisaje, la que es

til en la toma eventual de decisiones sobre el medio ambiente, y el apoyo de campo, que consiste en la inspeccin

directa, en varios puntos selectos de la escena, de diferentes atributos de los objetos que se encuentran en el terreno, con el fin de evaluar los datos obtenidos previamente a distancia.

La distancia con respecto a la escena, a la cual se coloca la plataforma (Figura 2), permite tener una visin sinptica a

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diferentes escalas del paisaje, lo que se logra gracias a una

sucesin de observaciones que van cubriendo poco a poco la regin deseada. stas pueden hacerse, en general, a

diferentes horas del da, en diferentes pocas del ao y, muy probablemente, por medio de diferentes filtros de color. En este proceso se genera una gran cantidad de datos, los que,

analizados adecuadamente por medio de criterios muy bien definidos, proporcionan valiosa informacin acerca de los

recursos naturales terrestres y sientan las bases para su estudio racional.

Con el desarrollo moderno de la ciencia de la computacin

electrnica digital se ha dado un auge importante a la percepcin remota, pues la disponibilidad de estas herramientas permite la evaluacin cuantitativa de un gran

volumen de datos. As, en una simbiosis muy estrecha las ciencias de la computacin han impulsado el desarrollo de la

percepcin remota, y sta, a su vez, ha generado nuevos sistemas de procesamiento digital con propsitos especficos.

Figura 2. Diagrama esquemtico de los componentes bsicos de la

percepcin remota representados segn la investigacin

experimental moderna.

A su vez, el desarrollo de la ciencia y la tecnologa ha

permitido incorporar nuevos mtodos y dispositivos de captura de datos a distancia, lo que ha hecho que la

percepcin remota extienda su campo de accin a fenmenos muy diversos, ya no slo en el mundo macroscpico sino tambin en el microscpico. Veamos ahora desde esta

perspectiva cmo se identifican de nuevo sus elementos bsicos.

La fuente de iluminacin: hay sistemas en percepcin remota

que utilizan una fuente de iluminacin externa, sobre la cual no se puede tener control. Estos sistemas, llamados sistemas

pasivos, pueden utilizar al Sol o bien a una estrella lejana

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como fuente de iluminacin. Es claro pues que en un

experimento de percepcin remota donde se utilice al Sol de ese modo, slo se podr hacer uso de las caractersticas

regulares y conocidas de ste; es decir, que en forma pasiva habr necesidad de "esperar" a que las condiciones de iluminacin sean las adecuadas para efectuar la observacin

correspondiente de la escena. Si se desea cubrir todo un paisaje con observaciones sistemticas, ser necesario

entonces cuidar muy bien que las caractersticas de la iluminacin, es decir hora y estacin del ao, sean las que requiere el diseo del experimento correspondiente, lo que

asegurar una tasa de xito ms que razonable. Habr experimentos que las requieran a una misma hora en la

misma estacin del ao, y otros a diferentes horas en las cuatro estaciones del ao. De hecho, cualquier combinacin es posible dependiendo de la aplicacin deseada.

Por otro lado hay sistemas en percepcin remota que utilizan su propia fuente de iluminacin, de la que, por tanto, se tiene control. Este tipo de sistemas, llamados, por supuesto,

sistemas activos, son los que han permitido extender el campo de estudio de la percepcin remota a una diversidad de

fenmenos donde la fuente de iluminacin ya no emite luz visible para "iluminar" la escena. En estos casos la fuente (Figura 2) puede ser luz ultravioleta o infrarroja, rayos

gamma o rayos X, o bien un haz de partculas como protones o neutrones. Con esta diversidad en fuentes de iluminacin es

por tanto posible aplicar las tcnicas de la percepcin remota no slo al mbito de la geofsica, sino tambin al de la

medicina, la biologa, la fsica nuclear y la industria.

El paisaje: ste es el elemento de la percepcin remota que ms retos da al investigador. Esto es as porque, primero, el paisaje constituye el sistema fsico objeto de su estudio;

segundo, porque generalmente es una parte muy compleja donde intervienen muchos factores, algunos de ellos ajenos al

propsito de la investigacin, y tercero, porque sucede con frecuencia que el investigador no controla una parte o, en

algunos casos, todos los aspectos que componen el paisaje. El investigador puede controlar, y de hecho lo hace, el sensor remoto, la fuente de iluminacin, o el procesamiento de los

datos, pero puede escapar a su injerencia el sistema fsico que desea analizar. Por otro lado, una gran porcin de los errores

que se cometen en el diseo y operacin de un experimento de percepcin remota provienen precisamente de la subestimacin o sobresimplificacin de la complejidad del

paisaje.

Con los conceptos vertidos anteriormente podemos entender que este objeto global de estudio puede verse ahora como un

sistema microscpico, digamos un conjunto de tomos "iluminados" por un haz de electrones, o bien como un

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sistema macroscpico, tal como un cultivo de bacterias

"iluminadas" por medio de luz ultravioleta. De hecho, tambin podemos entender al "paisaje" como el cuerpo humano

"iluminado" por rayos X, con el propsito de obtener de l radiografas. Una aplicacin relevante de los sistemas activos en la prospeccin de los recursos naturales terrestres es el

uso de seales de radar, ya que al interaccionar con el paisaje terrestre permiten obtener datos complementarios a los que

se obtienen utilizando luz visible. En otras palabras, podemos afirmar que dichos sistemas activos amplan la capacidad para obtener imgenes con representacin visual, las cuales, hace

algunos aos, no podan generarse por razones tecnolgicas, teniendo que conformarse con el anlisis de datos puramente

numricos. Esta capacidad de representacin visual es la que permite a un mdico el examen del sistema seo y determinar la presencia y localizacin de tumores, o bien la que ayuda a

un biomdico en el estudio de la morfologa de una bacteria con el fin de establecer su virulencia.

La escena: es probable que sta sea uno de los elementos

bsicos de la percepcin remota ms difciles de entender, pues implica el manejo de conceptos lgicos, es decir de

entidades no fsicas. Imaginemos un plano o superficie que forma parte de un paisaje, consideremos todos los objetos de ste que se encuentren sobre aqul, y de esa manera

tendremos una imagen visual de una escena del paisaje. Esto nos lleva a que, al variar el enfoque de la lente de una cmara

fotogrfica, se pueden obtener diferentes escenas de un mismo paisaje, escenas que, por supuesto, son plasmadas en

el film fotogrfico una vez que se acciona el disparador de la cmara. As pues, sobre la fotografa resultante quedan grabados en forma permanente y visible el conjunto de

objetos que se en combinan sobre la escena, y por tanto aqulla se convierte en una representacin bidimensional de

los objetos en todos o, lo que es lo mismo, en una imagen de la escena.Esta ltima consideracin es de vital importancia, pues el manejo y anlisis de las imgenes correspondientes a

diferentes escenas es lo que permite entender el funcionamiento del paisaje, con las consecuentes

repercusiones para el eventual dominio del mismo. Un ejemplo claro de estos conceptos es el de una radiografa: un mdico a la hora de enfocar su aparato de rayos X sobre una

seccin del sistema seo lo que est haciendo es seleccionar una escena del "paisaje", que en este caso es el cuerpo

humano. La superficie que constituye la escena es en este ejemplo el plano sobre el que se enfoca el aparato de rayos X y los objetos son los huesos que se encuentran enfocados; la

radiografa resultante es la representacin visual de los huesos y su estructura. Es claro que la interpretacin que

hace el mdico de la radiografa le permite entender qu sucede en el sistema seo del paciente, dilucidar posibles problemas como fisuras, fracturas, debilitamiento o tumores

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en algn hueso, y, sobre todo, tomar las acciones correctivas

necesarias que le conduzcan al "dominio" del "paisaje", es decir a restablecer eventualmente el estado de salud del

paciente.

TABLA 1. Diversos detectores o sensores remotos en funcin de su uso.

Regin espectral y tipo de sensor

Intervalo de

longitud de onda (/m) +

Mxima

resolucin espacial

(miliradianes)*

Capacidad de

penetracin atmosfrica

Capacidad

de operacin

*Rayos gamma

contadores de centelleo, foto-multiplicadores

acoplados a cris-tales como NaI y

LiGe

10-16 a 10 -5

< 0.01

utilizable slo en medios de muy

baja densidad o a muy corta

distancia de la escena.

da y noche

*Rayos x contadores de centelleo y Geiger.

10-5 a

0.004 < 0.01

igual que el caso

anterior.

da y

noche

*Ultravioleta pelcula fotogrfica con lentes de cuarzo,

fotomultiplicadores

0.004 a 0.38

0.01 a 0.1

la atmsfera

reduce sensiblemente la penetracin,

se puede utilizar desde avin.

da

*Visible televisin, cmaras

convencionales, fotomultiplicadores, detectores de estado

slido.

0.38 a 0.78

0.01 a 0.1

la neblina y los

contaminantes reducen la penetracin, se

pueden hacer observaciones

desde satlite.

da

*Infrarrojo fotomultiplicadores, detectores de estado

slido, pelcula sensible al infrarrojo.

0.78 a 101

0.01 a 1.0

influyen poco la neblina y los contaminantes,

se pueden hacer observaciones

da y noche

10

desde satlite.

*Microondas radar

con antenas emisoras y

barredoras.

103 a 106

0.01 a 10.0

casi no influyen la neblina y los

contaminantes, se pueden hacer

observaciones desde satlite.

La longitud de onda es la distancia entre crestas,

considerando la luz como un fenmeno ondulatorio; 1 = 1-6

m. Un radin es aproximadamente igual a 57; y un miliradin es igual a 10-3 radianes.

El sensor remoto: el desarrollo tan importante que ha tenido la tecnologa en esta rea de la percepcin remota ha

permitido al hombre ampliar (Tabla 1) su capacidad visual. Nuevos y modernos detectores permiten ahora capturar luz

invisible como la ultravioleta o la infrarroja, y detectar radiaciones como los rayos X y gamma y partculas como

electrones, protones o neutrones. Ejemplos de tales detectores son la placa fotogrfica, la pelcula fotogrfica infrarroja, los detectores Geiger, los fotodetectores, las

fotomultiplicadores y las cmaras de televisin. Muchos de stos son baratos y de gran eficiencia, y algunos incluso

proporcionan imgenes en forma cuantitativa, es decir en forma numrica, de tal manera que la informacin resultante puede ser almacenada en computadora para proceder a un

anlisis matemtico ulterior. Todos estos detectores han ampliado enormemente la capacidad de observacin en

percepcin remota y pueden proporcionar actualmente imgenes de gran calidad de paisajes tan remotos como las lunas de Jpiter, de una galaxia distante, o de "paisajes"

microscpicos como los de un virus detectado por medio de un microscopio electrnico. Ms an, sistemas o paisajes

internos como son los rganos del cuerpo humano o los defectos interiores (Figura 3; vase el pliego a color) de una pieza de metal son ahora capturados utilizando detectores de

rayos X. En particular, y de consecuencias socioeconmicas, le han proporcionado al hombre un conocimiento ms

diversificado de su medio ambiente para la evaluacin y manejo de los recursos naturales terrestres.

La plataforma: a medida que la plataforma de observacin se

coloca a una mayor distancia de la escena, la visin de conjunto crece, pero no as el detalle o grado de discernimiento, el que consecuentemente se hace menor.

Discernir objetos relativamente pequeos o muy prximos

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entre s requiere de detectores de alta resolucin,2 lo que

hace que sean indispensables para el uso de plataformas

colocadas a una gran distancia de la escena. Las que estn situadas a gran altura sobre la superficie terrestre, por ejemplo, son muy tiles en la prospeccin de los recursos

naturales y en general en la exploracin de nuestro planeta. Para esta clase de aplicaciones la plataforma espacial ha

demostrado ser la ms adecuada, puesto que los modernos detectores permiten obtener imgenes de la superficie terrestre con elementos de resolucin de 30 m por lado,

cubriendo escenas de aproximadamente 185 por 185 km, es decir una superficie de 33 225 km. Otros sensores de este

mismo tipo son capaces de obtener imgenes de 100 por 100 km, con un elemento de resolucin de 10 por 10 m, es decir que el rea mnima de observacin del sensor es de 10 m por

lado. Las plataformas espaciales se encuentran girando a varios cientos de kilmetros sobre la superficie terrestre, lo

que hace que el detalle y la extensin cubierta con este tipo de plataformas sean muy adecuadas para aplicaciones geolgicas y geofsicas. Existen, desde luego, plataformas que

pueden estar a poca altura o a corta distancia de la escena, y que tienen, por tanto, otras aplicaciones. La observacin de

un cultivo de bacterias, por ejemplo, se hace a corta distancia, pero como la escena observada es pequea tambin, de todas maneras se requiere de un detector de alta

resolucin para poder distinguirse los detalles ms finos.

Puesto que histricamente y en general el nombre de percepcin remota ha sido tradicionalmente asociado a la

exploracin del planeta, veamos con ms detalle qu consecuencias tiene la utilizacin de la plataforma espacial en

la prospeccin geolgica y geofsica. Una plataforma de stas necesariamente es de tipo satelitario, es decir, el sensor remoto se encuentra instalado a bordo de un vehculo orbital,

el cual, por medio de celdas solares, sistemas de control y telecomunicacin automatizados, proporciona la posibilidad de

una cobertura regular y repetitiva de la superficie terrestre. Las rbitas de este tipo de satlites son generalmente polares, por lo que el movimiento combinado del satlite y el de

rotacin de la Tierra (Figura 4) hacen que la superficie de sta sea cubierta totalmente en periodos de dos a tres semanas.

Adems, la rbita est ajustada de tal manera que la observacin de una misma regin se hace a la misma hora del

da, 10:00 hrs local aproximadamente, lo que provoca que se tenga como nica variacin en las condiciones de iluminacin de la escena las causadas por las estaciones del ao, sobre

todo en latitudes cercanas a las polares donde el ngulo de elevacin solar vara considerablemente de verano a invierno

para una misma hora del da.

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Figura 4. Esquema del cubrimiento terrestre por un satlite de

percepcin remota con rbita polar.

Figura 5. Estacin rastreadora de satlites de rbita polar. El plato

de esta antena va girando en direccin norte-sur para captar

continuamente las seales que enva el satlite durante su paso

sobre la antena.

Otra ventaja de este tipo de satlites es que el envo de datos

se hace inmediatamente a la estacin terrestre ms cercana (Figura 5), por lo que en principio las imgenes resultantes pueden quedar disponibles en un lapso de tiempo de algunos

das.

El sistema de procesamiento: los sensores remotos actuales son capaces de producir imgenes de alta calidad en forma

analgica o digital, es decir, pueden proporcionar una representacin continua o discreta de la escena. Una imagen

continua es aqulla donde la variacin de tonos de gris o color se presenta sin discontinuidades, sin lneas, o fronteras, aparte de las que pudiera tener la escena misma. Una imagen

discreta, por su parte, es la que est compuesta por

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elementos definidos y diferenciados como puntos o cuadrados.

Es necesario aclarar que una escena siempre es continua, no as la imagen respectiva. En realidad, una representacin o

imagen continua no es ms que una idealizacin de lo que realmente sucede, pues una fotografa a simple vista podr verse continua, pero al ser amplificada se aprecia que est

formada por una coleccin de pequeos puntos de diferentes tonalidades que son los que componen la imagen en forma

similar a un rompecabezas. En general podemos decir entonces que una imagen ser catalogada continua o discreta dependiendo del grado de resolucin que tenga el sensor y del

detalle que se desee discernir. De hecho, slo las imgenes pticas podrn considerarse siempre como continuas. Por lo

tanto, daremos el nombre de digital a aquellas imgenes discretas donde cada punto que la compone est dado no por una tonalidad sino por un nmero, esto es, asignando por

ejemplo el 0 el al tono ms oscuro y 127 al ms claro. Es precisamente debido a esta representacin numrica de una

escena que es posible el manejo por computadora de la imagen digital correspondiente, con la consecuente rapidez y

volumen en el anlisis de una gran variedad de stas. La disponibilidad de computadoras digitales ha hecho que ahora se puedan analizar imgenes digitales de gran dimensin y

complejidad, lo que ha dado a la percepcin remota un impulso notorio en los ltimos 10 aos. Ms an, este

desarrollo ha demandado recursos computacionales cada vez ms importantes, llegando a ocurrir que los especialistas en ciencias de la computacin hayan consagrado un esfuerzo

considerable al diseo y construccin de arquitecturas y lenguajes computacionales especiales para el anlisis de

imgenes digitales, lo que ha propiciado lgicamente un impulso an mayor a la percepcin remota. Estos sistemas

cuentan actualmente con un rango muy amplio de algoritmos3

para el anlisis de imgenes, los que a travs de sistemas de

despliegue (Figura 6) de color de alta resolucin permiten desplegar la imagen digital y proporcionan al usuario una comunicacin de tipo interactivo con la computadora. Esta

comunicacin interactiva produce informacin, resultado de dicho anlisis, que puede ser canalizada a bancos de memoria

en la misma computadora, de donde puede ser extrada, representada o manipulada lo ms adecuadamente posible para la toma de decisiones acerca de uno o varios aspectos

del paisaje. A esto ltimo se le llama sistema de informacin y convierte a la toma de decisiones en un proceso cuantitativo y

por tanto de rpido apoyo a la gestin de un recurso especfico.

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Figura 6. Representacin de un sistema computacional acoplado a

una pantalla de despliegue para el anlisis interactivo de imgenes

digitales en actividad de percepcin remota.

El apoyo de campo: las tcnicas de apoyo de campo se

refieren a la inspeccin cualitativa y cuantitativa de lugares selectos del paisaje. Estas tcnicas son resultado de los

mtodos de muestreo estadstico y de medidas de propiedades fsicas y qumicas de los objetos que se encuentran en la escena. Es claro que no es posible ni tiene

sentido hacer una evaluacin exhaustiva de todos los objetos que se presentan en sta pues, adems de que esto sera

costoso y consumira una gran cantidad de tiempo, dejara de lado a la percepcin remota, es decir, ya no tendra razn de ser la observacin a distancia desde una plataforma

particular. Sin embargo, la observacin directa de ciertos puntos de la escena es necesaria para la correcta validacin

de las observaciones. Esto es as porque las medidas hechas por un sensor remoto son en general relativas al sensor mismo, a la metodologa usada y pueden estar distorsionadas

por una gran variedad de aspectos no controlables por el experimentador, tales como interferencia atmosfrica si se

trata de una plataforma satelitaria, o de interferencia de los tejidos blandos si se trata de obtener una radiografa. A partir de los hechos arriba mencionados se desprende la necesidad

de seleccionar un conjunto adecuado de puntos de la escena que constituyan una representacin realista del conjunto total

que la componen, lo que se logra con bastante exactitud por medio de tcnicas de muestreo estadstico, que son las que proporcionan los criterios pertinentes para hacerlo. Una vez

seleccionado un nmero adecuado de puntos y habiendo determinado sus posiciones respectivas se pasa a localizar los

objetos que se encuentran sobre dichos puntos. Hecho esto, se puede medir directamente una serie de propiedades de los objetos en cuestin. De esta manera, en el caso de una

radiografa, por ejemplo, una vez localizada una zona

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sospechosa, se pasa a la extraccin de un poco de tejido para

someterlo al anlisis de laboratorio, cuyos resultados determinarn la accin correctiva adecuada. En el caso de

estudios de silvicultura desde una plataforma satelitaria, se proceder a inspeccionar un cierto nmero de rboles, y suponiendo que stos se encuentren infestados por una plaga,

determinando propiedades como rea foliar, dimetro mayor del tronco o estado de salud. Todos estos datos son

retroalimentados al sistema computacional, el que, correctamente programado, dar la localizacin y extensin de un tumor, o proporcionar las zonas de rboles enfermos.

Desde luego, habr ocasiones en las que el apoyo de campo no es posible o es demasiado costoso, en cuya situacin las

inferencias que se hagan sobre la escena y el paisaje tendrn que ser indirectas. ste es el caso, por ejemplo, de regiones de difcil acceso en el planeta o de cuerpos celestes muy

alejados. Aqu es muy importante puntualizar que ni la medicina, ni la astronoma se han convertido en percepcin

remota o sta en astronoma y medicina, sino que aqulla es una metodologa cientfica multidisciplinaria cuyas tcnicas y

mtodos son aplicables a diversas reas del conocimiento cientfico.

El nombre de percepcin remota aparece inicialmente durante las primeras misiones interplanetarias de sondas espaciales no

tripuladas, a bordo de las cuales se instalaron cmaras de televisin para la captura y envo a la tierra de imgenes

correspondientes a regiones selectas de la superficie de otros planetas. El desarrollo de esta ciencia, por su aplicacin

novedosa a la geologa y a la geofsica, se ha visto involucrado tradicionalmente al estudio de la superficie planetaria terrestre. De ah que la percepcin remota se haya definido en

su desarrollo histrico como la obtencin de informacin acerca de una superficie o escena, utilizando luz visible e

invisible, por medio del anlisis automatizado de datos obtenidos a distancia por un sensor remoto. Esto se ha hecho, en general, con el fin de evaluar el medio ambiente y, en

muchas ocasiones, con el objeto de apoyar las labores de prospeccin de los recursos terrestres, lo que la ha convertido

en una herramienta valiosa para el bienestar de la humanidad. De hecho, el avance tan grande que ha tenido la tecnologa asociada a la percepcin remota ha trado como

consecuencia que el mtodo propio de esta moderna ciencia sea aplicable a una gran variedad de escenas y paisajes, y

que la evaluacin ya no se restrinja solamente al medio ambiente, sino que se pueda realizar en una gran diversidad de sistemas fsicos.

NOTAS

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1 Entendemos por objeto aqu todo ente fsico (material)

formado, en general, por una gran variedad de elementos qumicos y fsicos.

2 Por resolucin se entiende aqu la capacidad de un sistema

sensor para separar los elementos de un objeto bien definido como una sucesin de lneas equidistantes.

3 Un algoritmo es una sucesin lgica de instrucciones que,

traducidas por medio de un lenguaje de computadora como el FORTRAN, proporciona al sistema computacional las rdenes

necesarias para ejecutar una tarea especfica.

I I . S I S T E M A S D E C A P T U R A D E

I M G E N E S

El desarrollo de la tecnologa espacial, la

electrnica y los sistemas de comunicacin, han diversificado

y ampliado la capacidad del hombre para ver mundos inimaginados.

DE LOS cinco sentidos que posee el hombre, probablemente la

visin sea el ms importante por la utilidad y satisfaccin que proporciona: nos aporta de inmediato un marco de referencia de la posicin que ocupamos en el espacio, y nos permite

evaluar todo lo que nos rodea de acuerdo a su forma, tamao y color. Adems, como est constituida por un sensor remoto

como es el ojo humano y por el cerebro, tal evaluacin se puede hacer a distancia, lo que significa que las decisiones y acciones que ejecuta un ser humano, incluso estando en

movimiento, estn relacionadas con el medio que le rodea; es decir, pueden ser hechas sobre la marcha o desarrollo de una

tarea. La emulacin de esto por una mquina por medio de un sensor optoelectrnico y una computadora debidamente programada constituye un buen ejemplo de la inteligencia

artificial que, plasmada en la robtica, ha facilitado la automatizacin de muchas tareas en las plantas industriales.

Con base en los conceptos arriba desarrollados puede

entonces considerarse al ojo como el sistema natural para la obtencin de imgenes de las escenas que nos rodean. Este

sensor remoto natural est constituido por dos subsistemas bsicos (Figura 7): el de formacin de imgenes, representado por el iris y el cristalino, y el sensor de registro

de imgenes, representado por la retina. Los sensores remotos construidos por el hombre (Tabla 1) contienen

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tambin estos dos subsistemas, pero con ventajas

adicionales, puesto que las imgenes generadas por stos pueden ser registradas permanentemente, es decir, ser

grabadas en un formato de naturaleza cuantitativa que deja abierto el camino para un anlisis automatizado por medio de computadora. Adems, como ya se ha mencionado

anteriormente, estos sensores artificiales permiten "ver" luz no visible por el ojo humano, ampliando con esto la capacidad

de captura de datos y de decisin inteligente al respecto de stos.

Figura 7. El ojo humano como sensor remoto natural para la

formacin y captura de imgenes del mundo que nos rodea.

Figura 8. Diagrama de bloques que muestra el proceso de captura

de una imagen por medios artificiales.

A partir de lo anterior, analicemos ahora un sistema artificial

de captura de imgenes. Comenzaremos el anlisis por medio de una representacin esquemtica en bloques del proceso de captura de una imagen. A su vez, cada bloque puede

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descomponerse en elementos bsicos, los que, a travs de su

interrelacin, permiten entender la estructura lgica de un sensor remoto artificial. Para obtener esta descomposicin es

necesario introducir ciertos elementos formales a los cuales se refieran la escena y la imagen (Figuras 8 y 9). Como puede apreciarse en las figuras, la escena est representada por una

funcin matemtica f(), que a su vez est referida al

sistema de ejes coordenados (alfa) y (beta), los que para

un par de valores () dan la posicin espacial de un punto

de ella. As esta funcin representa la variacin espacial, es decir punto a punto, de los valores de intensidad de la luz

proveniente de la escena para un color dado. En otras palabras, se puede decir que si sta se observa a travs de un filtro que deje pasar un solo color, digamos el verde, entonces

f() proporciona la variacin en tonos de verde de un lugar a otro de ella misma. Puede tambin representar los diferentes tonos de gris de una escena en blanco y negro, o bien, si sta

es vista en pleno color, los diferentes colores que la

componen. Debe quedar claro que f () se refiere a la

escena independientemente de cmo se le vea, lo que quiere

decir que f () es una funcin matemtica que la caracteriza y esta funcin se refiere exclusivamente a las variaciones de

intensidad de luz que provienen de ella, sin embargo estas variaciones son diferentes de color a color pero propias de

cada escena; el correspondiente filtro slo las pone de manifiesto.

Figura 9. Subsistema de formacin de imgenes.

Por otro lado sabemos que la escena se encuentra iluminada

por una fuente y que aqulla refleja o transmite la luz emitida por sta. Hay que recordar que la escena puede ser al mismo tiempo la fuente de luz, como sucede cuando se desea

estudiar al sol mismo, o cuando se pretende obtener la fotografa de un foco encendido. En este caso dicha luz

emitida o reflejada es transmitida a travs del espacio hasta

19

llegar al sensor remoto, que en la figura 9 se encuentra

representado por un paraleleppedo. Este sensor intercepta la propagacin de la energa radiante de dicha luz y la

transforma de tal manera que en el plano de la imagen se forma la imagen de la escena. Este plano est dado por el sistema de ejes coordenados (x, y) y la imagen por la funcin

matemtica g(x, y). En forma anloga a la escena, las coordenadas (x, y) dan la posicin de un elemento de la

imagen y la funcin g(x, y) representa la variacin en tonos de gris o de color de elemento a elemento de dicha imagen.

Hasta aqu, la imagen dada por g(x, y) se encuentra formada

en el plano (x, y), mas no se encuentra registrada o capturada en forma permanente. As, por ejemplo, al enmarcar una escena por medio de una cmara fotogrfica, la

imagen correspondiente se encuentra formada en el plano de la pelcula, pero no es sino hasta que el obturador de la

cmara es accionado que sta queda registrada permanentemente, al ser sensibilizada la pelcula por la luz que proviene de la escena y que pasa a travs de su sistema

ptico. Existen dispositivos sensores en los cuales la formacin de la imagen y el registro de la misma se hace por

medios fotoelctricos, es decir, la energa radiante de la luz proveniente de la escena es transformada por el sensor en un voltaje, que a su vez es medido por un instrumento adecuado

y que es el que registra en forma permanente su valor. En este caso el proceso ya no es tan evidente ni tan visual como

en el ejemplo anterior, pero, sin embargo, constituye un mtodo mucho ms eficiente y cuantitativo que el de la

fotografa. A estos dispositivos fotoelctricos se les denominan sensores no fotogrficos o bien sistemas optoelectrnicos.

Analicemos con ms detalle este ltimo mtodo. Para ello es necesario referirnos a la sucesin de fotografas de la figura

10. La escena est representada por la figura l0 (a), la que por simplicidad en esta discusin se muestra slo en distintos

tonos de gris. Ms an, aunque sabemos que una fotografa est formada siempre por diminutos puntos de diferentes

tonalidades, hagamos una idealizacin y supongamos que esta escena es continua, es decir, pensemos que los puntos son infinitamente pequeos. El proceso se da entonces de la

siguiente manera: a la escena original se le sobreimpone una rejilla cuadrada (Figura 10(b)) que la subdivide en porciones

iguales. Esta rejilla, de hecho, no existe fsicamente en la prctica, sino que ms bien representa una subdivisin virtual y que aqu se muestra para ilustrar el proceso de creacin y

registro de una imagen. Tambin cabe aclarar que no necesariamente debe ser cuadrada, hay casos especiales en

situaciones complejas de la investigacin en donde puede ser rectangular o circular. Ahora bien, sobre cada cuadro de la rejilla se efecta un promedio de los tonos de gris en relacin

al rea proporcional que ocupan dentro del cuadrado sujeto a

20

observacin, con lo que se obtiene un cuadrado homogneo

(Figura 10(d)), es decir de un solo tono de gris. Esto que hacemos en forma cualitativa y aproximada es precisamente

la tarea que ejecuta el sensor optoelectrnico: recibe la energa luminosa de dicho cuadrado, la integra, la promedia y proporciona una medida de ella a distancia. El siguiente paso

es la construccin de una tabla de tonos de gris, de tal manera que al tono ms claro (el blanco) le asociamos el

nmero 0 y al ms oscuro (el negro) el nmero 7, es decir 8 tonos en total. Por tanto, a los matices intermedios les tocan los nmeros correspondientes entre el 0 y el 7. Esta escala

puede ser ms amplia: de 0 a 15, o de 0 a 31; pero eso s, siempre en mltiplos de dos, puesto que las computadoras

trabajan sobre la base del nmero dos. Dado que el ojo humano no puede distinguir ms de 16 tonos de gris, dicha coloracin entre tonos y nmeros no podr efectuarse

manualmente para ms de 16. Es por esto que un sensor remoto no slo permite realizar la digitalizacin de la escena

en una forma extremadamente rpida, sino tambin la separacin de un gran nmero de tonos.

Figura 10(a). Escena representada aqu a manera de ilustracin en

tonos de gris.

21

Figura 10(b). Imagen de la escena a la cual se le ha sobreimpuesto

una rejilla para el registro permanente por dispositivos

fotoelctricos.

Figura 10(c). Registro numrico de la imagen detectada y registrada

por el sensor fotoelctrico.

22

Figura 10(d). Representacin visual de la imagen digital a travs de

una escala de niveles de gris.

Al ejecutar el proceso de integracin de los tonos de gris

sobre cada cuadrado de la rejilla y comparar cada vez el resultado con la escala de gris previamente establecida, se

obtiene entonces una coleccin de nmeros arreglados en forma matricial (Figura 10(c)), que son, por una parte, la representacin numrica de la escena y, por otra, la

estructura de la imagen digital correspondiente. Es claro que esa representacin numrica es adecuada tanto para efectos

de almacenamiento en computadora, como para realizar un anlisis cuantitativo de la escena por medio de algoritmos computacionales, los cuales pueden llegar a ser muy

complejos, adems de permitir el transporte y el envo de datos correspondientes a la escena, no slo de una manera

eficiente, sino a muy larga distancia, como ha sucedido en el caso de las sondas espaciales que recin han explorado el sistema solar: han sido capaces de enviar imgenes de casi

todos los planetas y de sus respectivos satlites.

El proceso inverso a la digitalizacin de una escena puede llevarse a cabo, y de hecho se realiza, en muchas de las

etapas de la investigacin en percepcin remota. A este proceso inverso se le conoce con el nombre de reconstruccin

y con l se obtiene una representacin visual aproximadamente continua de la escena. Desde luego, la escena misma, que forma parte de la naturaleza, no se puede

reconstruir a partir de la imagen. La representacin se hace de la siguiente manera: utilizando la misma escala de grises

con la que se digitaliz la escena, cada nmero de la representacin numrica se usa para plasmar un cuadrado cuyo tono de gris corresponde al nmero en cuestin, de tal

manera que se obtiene una representacin visual (Figura 10(d)) de la imagen digital. Ntese que esto implica que sta

puede tener una representacin numrica o una representacin visual (reconstruccin de la escena) y que en

23

algunos casos pueden existir ambas. En otras palabras, la

imagen digital es una simplificacin de la escena con dos posibles representaciones: numrica y visual.

En el ejemplo de las figuras l0(a)-l0(d) el tamao del

cuadrado de la rejilla se ha escogido relativamente grande y en consecuencia se han perdido los detalles ms finos de la

escena. Para preservarlos en la imagen digital es necesario escoger el cuadrado con un lado tal que sea de por lo menos la mitad de las dimensiones del detalle ms fino de la escena.

Este cuadrado define, pues, la resolucin de la imagen digital y se le conoce con el nombre de elemento de resolucin o

campo instantneo de vista (CIV). Es tambin un elemento

fsico con dimensiones fsicas sobre la escena, a diferencia del nmero correspondiente en la imagen digital de un campo

instantneo de vista, que constituye un elemento lgico en la representacin numrica de aqulla. A este elemento lgico se le conoce como pixel y de por s no tiene dimensiones fsicas,

sino que stas son asignadas de acuerdo a una escala predeterminada en la representacin visual de la imagen

digital. En resumen, el pixel es la representacin numrica o lgica del campo instantneo de vista y es la medida de la energa promedio que proviene de dicho campo; a cada pixel

le corresponde slo un campo y viceversa. El tamao del campo instantneo de vista define la resolucin espacial, es

decir da el grado de detalle que se puede discernir de la escena, que es a lo que se llama digitizacin; a su vez, la escala de grises define el nmero de tonos discernibles y el de

la resolucin radiomtrica, es decir proporciona una medida de qu tanto se puede distinguir una energa luminosa de

otra. Recordemos que el ojo humano puede reconocer 16 tonos de gris o bien 16 diferentes niveles de energa luminosa

integrada por todos los colores, esto es, sin haber sido filtrada por algn filtro de color. A esta resolucin radiomtrica se le conoce como cuantizacin. Estos conceptos, la digitizacin

(resolucin espacial) y la cuantizacin (resolucin radiomtrica), definen globalmente la calidad de una imagen

digital, es decir, dan el grado, parecido o resemblanza con la escena, o la fidelidad con la cual la imagen digital representa adecuadamente a la misma. Este grado de fidelidad o calidad

es subjetivo, puesto que para ciertas aplicaciones no se requiere de una gran resolucin, adems de que digitalizar y

cuantizar a un gran detalle implica la generacin de un volumen de datos que puede ser innecesario o inconveniente. Por lo tanto, la calidad de una imagen digital se define ms

bien en una aplicacin especfica, y la obtencin de una calidad superior a la necesaria, o puede no tener sentido, o

resultar ser poco prctica en la realidad experimental. Hay que agregar a esto que la calidad de una imagen digital depende tambin del contraste y del grado de definicin de

las lneas y cambios de tono presentes en la imagen.

24

De acuerdo al desarrollo que ha tenido la percepcin remota

se puede asegurar que la representacin numrica de la imagen digital est enmarcada en un contexto lgico, muy

adecuado para el anlisis matemtico de los datos respectivos, a travs de programas computacionales, que a su vez representan un determinado anlisis que se desea

ejecutar sobre ella. Por otro lado, la representacin visual de la imagen digital es adecuada no slo para realizar una

inspeccin sobre la imagen, sino tambin para la creacin de mapas o de registros permanentes que fungen como referencias bsica para la comparacin entre los diferentes

aspectos de la evolucin de una escena. En general, sta se realiza despus de haber ejecutado uno o varios pasos del

anlisis matemtico sobre la representacin numrica.

Figura 11. Diagrama lgico de la captura, registro y anlisis de

imgenes en la percepcin remota.

Una vez introducidos los conceptos anteriores estamos preparados para ampliar el esquema de captura y anlisis de

datos de una escena determinada. Para esto consideraremos el diagrama mostrado en la figura 11, el cual constituye una representacin lgica del diagrama mostrado en la Figura 1.

Entonces, el objetivo de estudio y principio del anlisis en percepcin remota es precisamente el paisaje, sistema fsico

tridimensional, iluminado por una fuente de iluminacin. Por medio del paisaje se encuentra la escena, superficie de carcter subjetivo virtual, sobre la cual se encuentran los

objetos de inters. Esta superficie puede encontrarse en cualquier parte del paisaje y puede tener cualquier tamao,

siempre y cuando se encuentre totalmente contenida en lo que se considere como tal. Sobre la escena se define un elemento con dimensiones fsicas, denominado campo

25

instantneo de vista (CIV), cuyo tamao depende de las

dimensiones del paisaje, de la resolucin del sensor remoto y

de la distancia de ste al CIV. En otras palabras, el tamao

del campo depende de la geometra particular

paisaje/escena/sensor y de la eficiencia de este ltimo. La

energa luminosa reflejada o emitida por el CIV incide

entonces sobre el sensor optoelectrnico, compuesto en

primera instancia por un sistema ptico (generalmente un telescopio) y por un conjunto de dispositivos de conduccin de luz que hacen llegar a sta directamente hasta un juego de

filtros de color. Todo esto con el fin de observar simultneamente la escena a travs de ellos, de tal manera

de registrar una imagen digital por cada filtro, y medir posteriormente sus caractersticas. En el caso de radiacin corpuscular, como protones o electrones, en lugar de filtros de

color se utiliza un espectrmetro para seleccionar la energa del haz de partculas empleado en la formacin de la imagen

digital. Esto es similar a que se tomaran una sucesin de fotografas de la misma escena, pero cada vez interponiendo un filtro diferente; el resultado sera un juego de fotografas

mostrando aspectos diferentes de la misma. Esto es muy importante, pues cada objeto de la naturaleza tiene su muy

particular manera de manifestarse cuando es visto bajo diferentes filtros de color, o bien cuando es bombardeado con partculas de diferentes energas. Para ahondar ms en estos

concepto supongamos que tenemos una escena cualquiera y que, siguiendo los pasos de las figuras l0(a)-l0(d),

construimos un conjunto de cuatro escalas de tonos de color, en forma anloga a como lo hicimos en la de 16 niveles de

gris. De esta manera tendramos una escala con 16 tonos de verde, otra con 16 tonos de azul y dos ms con tonos de amarillo y rojo. Sobreponemos entonces una rejilla a la

escena y, observando a travs de un filtro verde, hacemos el

promedio sobre el CIV correspondiente, comparamos el

resultado con la escala previamente construida y asignamos,

en consecuencia, el nmero que le corresponde al tono de

verde as obtenido. Repetimos el proceso sobre el mismo CIV

pero con los otros filtros y escalas del resto de colores y

obtenemos los nmeros correspondientes; as, a un mismo

CIV le asignaremos cuatro nmeros; uno por cada color. Qu

quiere decir todo esto? Que si en dos CIV diferentes se

encuentran objetos diferentes, entonces se obtendrn dos

diferentes juegos de cuatro nmeros. Este proceso puede generalizarse, pudiendo utilizarse tantos filtros de color como

se requieran, incluso en "colores" como el ultravioleta y en el infrarrojo que son invisibles al ojo humano, pero que pueden

ser detectados por un sensor remoto moderno. En conclusin, entonces, se obtendrn para una misma escena tantas representaciones numricas como filtros de color se hayan

empleado, es decir que si se emplearon cuatro filtros, se obtendrn cuatro imgenes digitales o si se utilizaron siete

filtros, se registrarn siete imgenes digitales. Resumiendo

26

esto de una manera lgica se puede decir que al conjunto de

imgenes digitales (cuatro o siete) se les denomina "imagen

multiespectral" y al conjunto de nmeros para cada CIV se les

conoce como "firma espectral" (Figura 12; vase el pliego a

color). De ah que una imagen multiespectral est formada por un conjunto de imgenes digitales, cada una de ellas

conteniendo aquellos aspectos de la escena que corresponden a un color determinado y que, a su vez, la firma espectral contenga las caractersticas del conjunto de objetos que se

encuentran en el CIV, para cada color empleado en la

observacin correspondiente de la escena.

Regresemos ahora a la figura 11. Es claro que para registrar

simultneamente los diferentes aspectos de una escena se requieren no nada ms diferentes filtros sino tambin varios sensores: al menos uno para cada color. En el proceso de

observacin de la escena, cada sensor genera una imagen digital y el conjunto de sensores, por tanto, una imagen

multiespectral, la que a su vez queda registrada permanentemente en algn dispositivo de memoria, como por ejemplo una cinta magntica. Una vez teniendo la imagen

multiespectral de una escena dada, almacenada en un dispositivo de memoria digital, se puede entonces proceder a

la manipulacin de estos datos para la extraccin de la informacin deseada acerca de la escena. Al manipular la imagen correspondiente se generan nuevas imgenes

digitales que pueden, o bien ser almacenadas en la memoria de la computadora, o bien ser impresas en tonos de gris o de

color de acuerdo a la forma de representacin visual de una imagen digital ya descrita anteriormente. La extraccin de informacin a partir de una imagen multiespectral puede

arrojar conocimiento nuevo que no necesariamente est en forma de imagen; puede ocurrir que se obtengan reportes de

tipo estadstico, tablas o grficas. Por ejemplo, se puede desear obtener el nmero de clulas de una imagen de un

microscopio de laboratorio o la distribucin de reas de un conjunto de lagos a partir de una imagen satelitaria. Los resultados del anlisis en la investigacin en percepcin

remota pueden ser igualmente vlidos, o ms bien complementarios, ya sea en su representacin visual o en

forma de tablas y reportes. Cabe agregar aqu que al sistema optoelectrnico formado por un conjunto de filtros y detectores se le conoce como barredor multiespectral.

La formacin simultnea de varias imgenes de la misma escena requiere de un diseo avanzado para los sistemas de percepcin remota, puesto que es necesaria la adquisicin, no

nada ms de la respuesta espectral de cada CIV de la escena,

sino tambin de una resolucin espacial y temporal adecuadas a una gran variedad de aplicaciones, por lo menos en lo que

se refiere al medio ambiente geofsico y en lo que concierne a la prospeccin de los recursos naturales del pas. Para realizar

27

esto se requiere, adems de detectores de alta eficiencia, de

toda una metodologa en la adquisicin de datos a distancia. Esto es as porque en los sistemas de percepcin remota

espacial y aerotransportada la velocidad relativa entre el sensor remoto y la escena es muy alta, lo que impide al

sensor capturar la energa que proviene de cada CIV durante

un tiempo relativamente grande. Lo mismo sucede en sistemas donde el sensor est esttico con respecto a la escena, como es el caso de un sistema de radiografa por

medio de rayos X, ya que aqu se desea que la captura de la imagen sea rpida, de tal forma que el tiempo que se invierte

en medir cada CIV sigue siendo muy pequeo. Es conveniente

decir en este punto que al tiempo que le lleva al sensor

remoto medir la energa del CIV se conoce como tiempo de

residencia o tiempo de integracin y que, en general, se desea

que sea lo ms corto posible, tanto por los factores arriba mencionados, como porque existen situaciones de la

investigacin experimental donde la escena puede estar cambiando rpidamente, como sucede en el caso de un cultivo de bacterias. Es claro entonces que el sensor remoto debe

responder rpidamente a la energa luminosa proveniente del

CIV y debe operar tambin en niveles de ruido muy bajos, as

como operar en general a niveles muy altos de eficiencia.

Hemos estado discutiendo hasta este momento el esquema global para la adquisicin de imgenes simultneas de una misma escena por medio de un dispositivo llamado barredor

multiespectral; veamos ahora los cuatro diseos fundamentales de barredores de este tipo, discutiendo en

cada caso las ventajas y desventajas de cada diseo e identificando los sistemas operativos actuales.

Para esto refirmonos a las figuras 13(a)-13(d) donde se

muestran esquemticamente los cuatro diseos mencionados.

El barredor multiespectral (MSS) y el mapeador temtico (TM)

a bordo de los Landsat 4 y 51 son los ejemplos ms relevantes

de la configuracin mostrada en la figura 13(a) y constituyen los baluartes ms avanzados de la serie de sensores orbitales

Landsat (Tabla 4) diseados para el estudio de la superficie terrestre con fines de prospeccin de los recursos naturales.

Los barredores de los Landsat son sistemas optomecnicos compuestos por un determinado grupo de fotodetectores, los cuales, por medio de un espejo oscilatorio, "barren" un

conjunto de seis franjas perpendiculares a la direccin de movimiento del satlite. En un momento dado, la luz,

proveniente de seis CIV colocados sobre las franjas y en la

direccin de movimiento del satlite, es reflejada por el espejo oscilatorio, el cual la enva a un sistema ptico formado por

un espejo reflector, que en su plano focal tiene un conjunto de fibras pticas que transmiten la energa luminosa sin

modificacin hasta un grupo de 24 detectores para el MSS.

Enfrente de cada cuatro detectores hay un filtro diferente que

28

define cuatro planos de color y de esta manera se captura en

forma simultnea la respuesta espectral de seis CIV en cuatro

bandas diferentes. En otras palabras, se van creando cuatro imgenes digitales, una para cada filtro; a cada una de estas

imgenes se le llama banda espectral o plano de color. A medida que se mueve el espejo oscilante, la luz reflejada por

los siguientes grupos de seis CIV es transmitida por el sistema

ptico hasta los detectores; de ah que, con la mitad de una oscilacin del espejo, se mide la respuesta espectral de todos

los CIV del conjunto de seis franjas que yacen sobre la escena

o superficie terrestre. Para el TM el proceso de medida es el

mismo; sin embargo, el grupo de detectores es de 42, puesto que se barren seis franjas en siete planos de color diferentes,

siendo el tamao del CIV de 50 x 50 m para el MSS y de 30 x

30 m para los primeros seis planos del TM y para el sptimo,

120 x 120 m2. Los satlites Landsat han producido una gran

cantidad de datos sobre la mayor parte de la superficie terrestre en todas las pocas del ao.

Figura 13(a). Medida en varias bandas de un CIV a la vez.

29

Figura 13(b). Medida de varios CIV, cada uno en diferentes bandas.

Figura 13(c). Arreglos lineales de detectores para medir en varias bandas un CIV a la vez.

(Figura 14; vase el pliego a color). Estos satlites han sido los primeros en operar rutinariamente y en proporcionar en forma regular datos de gran valor para la comunidad

cientfica, de tal manera que los resultados que se han generado a partir de tales datos han hecho que se impulse la

percepcin remota a escala mundial, siendo actualmente varios los pases que ya cuentan o estn desarrollando sus propios satlites. El mpetu que imprimen estos programas

satelitarios a la ciencia de la percepcin remota permite actualmente realizar una supervisin rutinaria de varios

fenmenos naturales terrestres, as como el de apoyar adecuadamente las labores de exploracin a gran escala en relacin con los recursos naturales y las actividades del

hombre sobre el planeta.

30

Figura 13(d). Sistema avanzado para medir simultaneamente todos los CIV de una escena en varias bandas.

Una concepcin para aumentar el tiempo de residencia del

sensor remoto sobre cada CIV es utilizar un arreglo lineal de

detectores, de tal manera que haya en esta configuracin un

elemento detector para cada CIV de una franja perpendicular

a la direccin de movimiento del sensor remoto. En la prctica se utilizan tantos arreglos lineales para medir la energa

luminosa como bandas se deseen registrar al mismo tiempo. Con este diseo, el tiempo de residencia se incrementa al intervalo de tiempo que se requiere para que el elemento

detector cruce un CIV a lo largo de la trayectoria del sensor

remoto, lo cual permite reducir el tamao del CIV y aumentar,

en consecuencia, la resolucin. Si se desea utilizar este diseo

para obtener una imagen multiespectral de tres bandas,

suponiendo que cada franja de la escena contiene 1 000 CIV,

entonces el nmero de detectores requeridos ser de tres

arreglos lineales de 1 000 elementos sensores cada uno, es decir 3 000 detectores en total. Este instrumento espectral se conoce con el nombre de barredor multiespectral modular de

tipo optoelectrnico y ha sido probado en forma experimental a bordo del transbordador espacial en una versin de dos

bandas, y ya ha sido puesta en rbita recientemente por

Francia a bordo de un satlite llamado SPOT (Sistema

Probatorio de Observacin de la Tierra); una de tres bandas,

con una capacidad para medir CIV de 20 x 20 m. Al

referirnos a la figura 13(b) podemos clarificar an ms la operacin de este tipo de barredor multiespectral.

Supongamos que se desea registrar una imagen multiespectral de cuatro bandas o planos de color correspondientes al verde, amarillo, anaranjado y rojo, de tal

manera que se requiere de cuatro arreglos lineales de detectores, cada arreglo con los filtros adecuados para

seleccionar los colores mencionados. Consideremos ahora cuatro franjas sobre la escena perpendiculares al movimiento

31

del sensor remoto, constituido en este caso por los cuatro

arreglos lineales de detectores; entonces, sobre la direccin

de movimiento, tomamos cuatro CIV, uno en cada franja de la

escena; as, el primer CIV ser medido y asignado al plano de

color rojo, el segundo al del anaranjado, el tercero al del amarillo y finalmente el cuarto al del verde. A medida que

avanza el sensor remoto en su trayectoria, el primer CIV ser

ahora medido y asignado al plano de color anaranjado, el segundo al del amarillo y el tercero al del verde. El arreglo lineal que tiene filtro rojo estar en este momento listo para

medir los CIV que se encuentran en la siguiente franja sobre

la direccin de movimiento del sensor remoto; en este

proceso, cada CIV de las franjas de la escena es medido

secuencialmente por los cuatro arreglos lineales que corresponden a los planos de color arriba mencionados, por lo que finalmente se obtienen cuatro imgenes digitales o bien

una imagen multiespectral de cuatro bandas de la escena a medida que el sensor remoto se mueve sobre sta; es decir,

la escena es "barrida" a lo largo de la direccin de movimiento del sensor remoto y no perpendicularmente como en el diseo anterior, donde el espejo oscilatorio es el que proporciona el

"barrido" perpendicular sobre la escena.

El tercer diseo que deseamos considerar aqu (Figura 13(c)) es una especie de combinacin de los dos anteriores, en

donde se utiliza un espejo oscilatorio para "barrer" la escena perpendicularmente a la direccin de movimiento, pero se

incorpora un elemento dispersor en lugar de los filtros considerados en los dos primeros diseos. La luz que proviene de la escena es reflejada por el espejo y pasa, a su vez, por

un objetivo ptico formado por un cierto conjunto de lentes; stos, por su parte, la dejan pasar hacia una entrada y un

colimador que la concentra sobre el elemento dispersor. Este elemento dispersor, que puede ser un prisma o una rejilla ptica, la separa en los colores que la componen y la enva

posteriormente a un conjunto de detectores formados por un arreglo lineal; cada detector de este arreglo recibe la energa

correspondiente a cada color, de tal forma que si se desea registrar la escena en cuatro planos de color, se requerir entonces de un arreglo constituido por cuatro detectores.

Desde luego, el diseo de cada detector debe responder adecuadamente a la energa luminosa correspondiente al color

considerado, ya que uno que responda bien al verde puede no hacerlo eficientemente para el infrarrojo. Para terminar la consideracin de este diseo podemos agregar que en este

caso se pueden medir varias franjas a la vez, por lo que si se desea la medicin de seis franjas en cuatro planos de color, se

necesitarn por tanto seis arreglos lineales de cuatro detectores cada uno.

Pasemos ahora al cuarto y ltimo diseo (Figura 13(d)) que

combina de una u otra manera aspectos de los tres diseos

32

anteriores. En este caso se utiliza un arreglo lineal con tantos

detectores como CIV tenga la franja de la escena sujeta a

medicin, obviando con esto, al igual que en el segundo diseo, la necesidad de un espejo oscilatorio, lo cual resulta

ser muy interesante, pues con esto se constituye una

configuracin sin partes mviles. Entonces, la luz de los CIV

proveniente de la franja en cuestin es guiada por un objetivo

ptico y posteriormente por un colimador hasta un elemento dispersor en donde es separada en colores para ser medida y

registrada en tantos planos de color como se desee y se pueda, de acuerdo a las caractersticas de los detectores; por lo que si se quiere una imagen multiespectral de digamos

cinco bandas y las franjas de la escena tienen 1 000 CIV, se

requerirn por tanto cinco arreglos de 1 000 elementos sensores. Cabe aqu puntualizar que, como se dijo arriba,

cada arreglo debe estar construido para responder eficientemente al color que se le asigne. Con el tremendo

desarrollo tecnolgico que ha tenido en los ltimos aos la industria de los fotodetectores de estado slido es posible considerar una variante de este ltimo diseo que

actualmente est en operacin experimental a bordo de aeronaves y que probablemente sea la configuracin que se

utilice en los prximos aos en las plataformas satelitarias. Esta variante consiste en utilizar un arreglo bidimensional de detectoras para cada plano de color, con una dimensin igual

al nmero de CIV de cada franja por el nmero de franjas en

que se haya dividido la escena. As que si la escena tiene 1

000 x 1 000 CIV y se necesita hacer mediciones en cinco

bandas, se requerirn por tanto cinco arreglos bidimensionales de 1 000 x 1 000 detectores, es decir un total de 5 000 000 de detectores. Con esta configuracin la escena

es registrada en una imagen multiespectral en un tiempo equivalente al tiempo de residencia, es decir al tiempo que se

requiere para medir un solo CIV de la escena.

En todas las configuraciones discutidas aqu es necesario considerar un sistema de almacenamiento digital para los

datos producto de las medidas hechas sobre los CIV de la

escena; tal sistema es de particular importancia para el ltimo diseo donde la escena es capturada prcticamente de

"golpe". Al realizar una medida sobre un CIV determinado, la

energa luminosa para un color dado es transformada por el fotodetector correspondiente en un pulso de voltaje cuya intensidad es proporcional a la energa luminosa incidente; a

su vez, y por medio de un dispositivo electrnico, llamado

convertidor anlogo/digital (A/D), dicho voltaje es

transformado a un nmero entero en una escala que

generalmente es de 0 a 127, con lo que un CIV oscuro emitir

poca energa luminosa y el voltaje correspondiente ser de baja intensidad, con lo que se obtendr un nmero cercano al

cero. En el desarrollo de este proceso se va generando una cantidad enorme de nmeros enteros que deben ser

33

almacenados en algn dispositivo de memoria al mismo ritmo

que son producidos. Como el tiempo de residencia es de una fraccin muy pequea de segundo, la velocidad a la que son

generados estos nmeros es muy grande y por tanto el sistema de almacenamiento debe operar con una alta eficiencia. En otras palabras, el fotodetector realiza una

medida y sta debe ser capturada en un tiempo tal que este detector quede listo para realizar una nueva medida cuando

as lo requiera el proceso. Con un sistema de almacenamiento masivo de memoria controlado por un microprocesador se puede realizar una especie de barrido sobre cada fotodetector,

capturando el resultado de las medidas al mismo ritmo que se realiza el barrido sobre la escena; dicho microprocesador no

slo capturar dicha medida, sino que la enviar al sistema de almacenamiento masivo con un cdigo lgico de orden para que el pixel generado y almacenado guarde la misma posicin

relativa al CIV correspondiente, de otra manera se tendra una

especie de rompecabezas en desorden y sera imposible reconstruir la escena. Cuando la memoria masiva es

suficientemente grande, los datos ah almacenados pueden ser posteriormente vaciados con un ritmo relativamente

menor a una cinta o un disco magntico donde la imagen multiespectral capturada por el sensor remoto queda

registrada en forma quasipermanente (se dice de este modo porque la imagen puede continuar en la cinta o en el disco por un tiempo indefinido hasta que ya no sea de utilidad su

almacenamiento).

Figura 15. Imagen de radar en donde pueden apreciarse con

claridad los rasgos del terreno, tales como los cauces de los ros, las

montaas y los caminos.

Con el advenimiento de los viajes orbitales por medio de un transbordador espacial es posible, y de hecho varios pases as

lo han hecho, verificar una serie de diseos de barredores multiespectrales que, convenientemente probados, pueden

34

ser posteriormente montados en una rbita satelitaria para la

captura rutinaria de imgenes de la superficie terrestre. En este mismo transbordador espacial se han instalado

instrumentos de gran precisin para llevar a cabo diversas misiones relacionadas con la percepcin remota y que han sido planeadas con gran antelacin. Este es el caso de un

radimetro para medir la energa infrarroja, invisible al ojo humano, con la que es posible identificar una variedad de

rocas sobre la superficie terrestre. Se han instalado tambin sensores remotos para detectar las variaciones de color y temperatura del ocano con el objeto de localizar

concentraciones de algas y bancos de pesca. Otros detectores cuidadosamente calibrados han sido de utilidad para medir

concentraciones de contaminacin ambiental en diversas regiones del globo terrqueo. Fue montado tambin un radar (Figura 15) que ha mostrado el potencial de la percepcin

remota en la exploracin geolgica planetaria, adems de demostrar la capacidad para estudios rutinarios en la

identificacin y clasificacin de hielo marino, para la medida de la direccin e intensidad del viento ocenico, para la

estimacin de la cantidad de humedad del suelo y del potencial acufero de zonas nevadas, todo esto con aplicaciones precisas en diversas reas de la investigacin

geofsica planetaria.

NOTAS

1 Landsat es el nombre de una serie de satlites lanzados por la agencia NASA de los EUA para la observacin de la Tierra.

Landsat es un acrnimo de "Land Satellite" (Satlite de la Tierra).

I I I . E L E M E N T O S P A R A E L

A N L I S I S D E U N A I M A G E N

D I G I T A L .

Los elementos subjetivos del paisaje, como son vistos por un

observador, son cuantificados por un

barredor multiespectral automatizado y sientan,

con el conjunto de datos resultantes,

las bases para un anlisis

35

objetivo

de la escena con fines de gestin racional del paisaje.

VEAMOS ahora los elementos bsicos para el anlisis de una imagen multiespectral digital. Se ha dicho anteriormente que una imagen digital es la representacin lgica de una escena y

que en general esta representacin tiene forma numrica y algunas veces visual. Se ha analizado tambin la mecnica de la captura y registro de una escena en forma de imagen

digital, pero, qu significa fsicamente en su forma ms general una imagen multiespectral digital? Esto es importante

para entender el mecanismo de anlisis que se requiere para estudiar el funcionamiento de una escena. As pues, puede decirse que es la variacin espacial y espectral de la "energa

luminosa" proveniente de aqulla. Este concepto es igualmente vlido cuando la escena emite o refleja partculas

como protones o neutrones o interacciona con seales acsticas, en cuyos casos la frase entre comillas deber leerse "energa penetrante" o "energa acstica". Para entender esto

hay que recordar que cuando un barredor multiespectral mide la energa luminosa, penetrante o acstica) proveniente de un

determinado CIV, obtiene en forma simultnea un conjunto

de nmeros que dan en realidad el valor de la energa luminosa vista a travs de un conjunto de filtros de color, es

decir que se observa la variacin de color a color para un

mismo CIV. La energa "luminosa" se refiere a luz visible e

invisible, como la infrarroja y la ultravioleta. Por su parte,

aunque la energa penetrante, como la de un haz de protones, y la energa acstica son seleccionadas por otros mtodos diferentes a los filtros de color, siempre se podr hablar, en

trminos generales, de filtros para obtener una energa determinada. Como la percepcin remota utiliza

principalmente la energa "luminosa", se emplear este trmino con frecuencia, en la inteligencia de que otros tipos de energa pueden ser tambin aprovechados por ella. Por

tanto, podemos decir que para un mismo CIV el barredor

multiespectral mide el cambio de color a color (o de energa), o bien la variacin espectral de la energa luminosa

(penetrante o acstica) respectiva. Entendemos aqu por variacin espectral al cambio de energa de la radiacin

luminosa, penetrante o acstica. A partir de esto es fcil

comprender que de un CIV a otro la energa luminosa ser, en

general, diferente y que, por tanto, la imagen digital es la

medida del cambio de dicha energa plasmada en el valor de un pixel a otro, lo que quiere decir finalmente que el conjunto de valores de los pixels de una imagen digital forman el

cambio o variacin espacial de la energa proveniente de los

CIV de la escena. Al desplazar un punto de un lugar a otro

sobre una imagen digital, se encontrarn diferentes valores

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(Figuras 13 y 16) de los pixels, y esta variacin espacial de la

energa luminosa traer como consecuencia una variacin espectral, ya que para cada pixel se tiene un juego de valores

que son la variacin espectral del CIV correspondiente en la

escena. Las variaciones espaciales y espectrales estn tan estrechamente ligadas que el cambio de una implica la otra.

Ahora bien, al adquirir una serie de imgenes multiespectrales

de una misma escena, pero en diferentes tiempos, se tendr registrada una variacin temporal de las caractersticas de

aqulla, lo que implica que las imgenes digitales correspondientes contendrn simultneamente las variaciones espacial y espectral de la energa proveniente de dicha escena

a medida que sta evoluciona en el tiempo. Para continuar con el estudio de los elementos bsicos de una imagen digital

con fines de anlisis es necesario ahora introducir el concepto patrn espacial y patrn espectral. Un patrn es esencialmente un arreglo de entes sin tomar en cuenta la

naturaleza de stos. Puede afirmarse, por otro lado, que el Universo est formado por patrones. Por su parte, un ente es

cualquier objeto fsico o lgico; un nmero, una figura geomtrica o una ave son ejemplos de entes. Entonces, la sucesin de nmeros 4, 17, 19, 16, es un patrn, diferente

desde luego al patrn 17, 4, 16, 19; queda claro en este ejemplo que lo que importa es el orden que guardan los

nmeros entre s y no si se trata de los mismos o no. El nmero de entes en un patrn puede ser cualquiera entre dos e infinito; as, por ejemplo, la sucesin 4, 17, 16, 8 ser un

patrn diferente al primero ejemplificado aqu. La variedad de patrones es por tanto infinita, pues cualquier combinacin es

posible. Es importante hacer notar tambin que el arreglo de los entes puede ser de naturaleza lgica o fsica; en los

ejemplos que hemos mencionado se ha tratado del orden lgico de los nmeros involucrados. Si los entes son fsicos, entonces el orden ser tambin de naturaleza fsica, y por

tanto ste podr darse a lo largo de un eje o sobre una superficie, como sucede en el caso del arreglo de objetos en

una escena. Es muy importante tener presente que en la representacin numrica de una imagen digital slo podemos hablar de patrones lgicos, no as en la representacin visual

de la misma imagen, donde stos tienen una equivalencia fsica. Veamos ahora estos conceptos aplicados al caso de una

imagen multiespectral digital (Figura 16). La sucesin de nmeros 42, 48, 59, 63, representa la variacin espectral del

CIV correspondiente a este pixel en la imagen digital; a esta

sucesin de valores sobre los diferentes planos que componen la imagen digital multiespectral se le llama patrn espectral; dicho de otra manera un pixel representa un patrn espectral.

Por lo tanto, un patrn de este tipo est formado por la sucesin de valores que presenta un CIV determinado cuando

es visto bajo diferentes filtros y, como habamos dicho anteriormente, esta sucesin es nica para cada objeto de la

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naturaleza, de tal forma que dicho objeto tiene un patrn

espectral nico. De ah que se haya hecho costumbre llamarle firma espectral. (Figura 12.) Es claro que la firma espectral de

un objeto cualquiera es un patrn de tipo lgico. En la figura 16 se ha dibujado tambin un conjunto de pixels con una cierta variedad de valores; si bien en esta simplificacin puede

observarse con facilidad que aquellos que tienen valores alrededor del 60 forman una figura geomtrica irregular, el

resto tienen valores notablemente ms bajos y como tales se constituyen en una especie de fondo. El arreglo espacial de pixels con valores alrededor del 60 forman lo que se conoce

precisamente como patrn espacial. Es interesante hacer notar, como ya se apunt arriba, que en este ejemplo se trata

de entes de tipo lgico pero con un orden fsico, es decir, tienen una posicin definida en el espacio. En una imagen multiespectral digital los patrones espectrales son siempre de

tipo lgico y los patrones espaciales son lgicos en la representacin numrica y fsicos en la representacin visual.

Desde luego, hay patrones espaciales formados por objetos fsicos, como es el caso de un arreglo particular de aves

cuando stas vuelan en una parvada, puesto que resulta suficiente con que una ave cambie de posicin relativa con respecto al resto para que el conjunto forme un nuevo patrn.

En forma intuitiva podemos decir tambin que desde el punto de vista fsico existen patrones tanto espectrales como

espaciales (Figura 21) que no difieren mucho entre s. As, por ejemplo, el patrn espectral 4,17,19, 16 es muy similar al 4, 17, 19, 15, y probablemente se trate de dos objetos de la

misma naturaleza fsica, pero con pequeas diferencias. Entre patrones espaciales tambin puede haberlas: nicamente

mover de posicin un solo pixel del patrn espacial de la figura 17, se tendr formalmente otro diferente, aunque ste se parezca mucho al original.

Figura 16. Patrones espacial y espectral de una imagen digital

multiespectral.

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Figura 17. En esta imagen de un sensor aerotransportado se

observa un conjunto de patrones rectangulares que tienen

caractersticas espectrales similares. Estos patrones rectangulares

son los asociados a una serie de edificios.

En la operacin del barredor multiespectral, debido a

variaciones de tipo estadstico, pueden ocurrir pequeas fluctuaciones en los valores respectivos para el patrn

espectral, aun en el caso de objetos iguales que se encuentren colocados en diferentes posiciones de la escena. Algo similar puede suceder para patrones espaciales, en

donde la naturaleza discreta de la imagen hace que algunos pixels queden ligeramente desplazados resultando pequeas

diferencias en la imagen digital, aun cuando en la escena se trate de lo mismo. A estas fluctuaciones estadsticas en el proceso de captura y registro de una imagen digital se suman

en general otros factores que pueden llegar a ser muy importantes. Por ejemplo, en el caso de una imagen Landsat,

la energa luminosa al viajar desde la superficie terrestre al barredor multiespectral atraviesa la atmsfera, cuyas condiciones de visibilidad pueden ser diferentes de un lugar a

otro de la escena, de tal manera que en la prctica las condiciones de iluminacin para la escena no son

homogneas. En el caso de una radiografa del tejido seo, los rayos X atraviesan el cuerpo humano, el cual presenta no slo diferencias en el espesor sino tambin diferentes condiciones

del tejido blando, haciendo con esto que los huesos aparezcan en diferentes tonalidades de gris; a esto hay que agregar el

hecho de que los huesos tampoco presentan condiciones de homogeneidad; as, el tejido seo se muestra con variaciones de densidad y espesor de un lugar a otro a lo largo del cuerpo

humano. Todos estos factores hacen que, tanto los patrones espectrales como los espaciales de una imagen digital se vean

formalmente diferentes, pero con caractersticas similares, y son precisamente estas caractersticas las que permiten la comparacin e identificacin de objetos semejantes en la

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escena. Podemos decir ahora, que una imagen digital

multiespectral es una composicin de patrones espectrales y patrones espaciales, y junto con la interrelacin que tienen

stos, es lo que constituye la estructura de una imagen digital multiespectral. Esta interrelacin se refiere a la relacin que tiene el valor de un pixel con sus vecinos, es decir, qu tan

rpido vara el valor de un pixel a otro, y es, por tanto, una medida de qu tan rpido se muestran visualmente las

variaciones en tonos de gris o de color en la representacin visual de una imagen digital. De hecho existe un nmero tan grande de posibles interrelaciones entre patrones, que no hay

manera de describir en forma exhaustiva la variedad de estructuras que pueden resultar en una imagen digital de

regular tamao, digamos de 1 024 x 1 024 pixels. Para ilustrar esto supongamos que, como en un juego gigantesco de rompecabezas, tenemos 1 024 x 1 024 (1 048 546) juegos

de cuadros de 128 posibles tonos de gris, con lo que entonces podemos formar ms de un milln de imgenes con 128

niveles de gris, muchas de las cuales presentarn formas familiares a nuestra vida diaria. Si tenemos muchos millones

de pequeos cuadrados con 128 posibles tonalidades, entonces podremos formar ms imgenes de por ejemplo 1 024 x 1 024 pixels, pudiendo componer con esto casi

cualquier figura que conozcamos en la vida cotidiana. Por otro lado, es posible dar suficientes ejemplos para esclarecer este

tan importante concepto de estructura de una imagen digital, como introducir los elementos bsicos con los cuales descomponer una imagen para facilitar no nada ms su

comprensin, sino tambin su anlisis. Para esto partamos de un ejemplo extremadamente sencillo: supongamos que

tenemos una imagen digital multiespectral cuyos pixels son del mismo valor o tono, es decir, la imagen aparece homognea a la vista. Qu tipo de interrelacin guardan en

esta imagen los patrones espectrales y espaciales? Pues bien, todos los patrones espectrales tendrn el mismo juego de

valores numricos a lo largo de los diferentes planos de color: por ejemplo, 7, 13, 17, 21 y 22, para una imagen multiespectral formada por cinco bandas. La relacin de pixel

a pixel ser muy simple: uno; cualquier pixel ser igual a sus vecinos. Veamos ahora un ejemplo un poco ms complejo:

consideremos una imagen como la de la figura 16. En este caso existen fluctuaciones relativamente pequeas entre los patrones espectrales, tanto para los pixels que forman la

figura geomtrica, como para el resto de la imagen o fondo. La relacin de un pixel con sus vecinos no es tan alta como en

el caso anterior, pero s es cercana al 100%: casi igual a uno. En otras palabras, ya sea para la figura geomtrica o para el fondo, las fluctuaciones de pixel a pixel son relativamente

pequeas, entre el fondo y la figura geomtrica la relacin de los valores de los pixels es de aproximadamente 1/2, lo que

implica que hay un cambio brusco del fondo a la figura geomtrica. Desde luego, esto significa que la relacin de los

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pixels que forman la figura geomtrica con sus vecinos (los

del fondo) es realmente baja: aqu el cambio de un pixel a otro es bastante brusco, pues esto es precisamente lo que

define en forma clara la mencionada figura, o visto desde otra perspectiva, los pixels que forman el fondo tienen poco que ver con aqullos que forman la figura geomtrica. De aqu

podemos plantear que, en el primer ejemplo, donde consideramos una imagen homognea, la estructura es la ms

simple que puede existir, y en el segundo (Figura 16), que la estructura es algo ms compleja, esto es que es de tipo binario: slo existen dos patrones espaciales o dos grupos de

patrones espectrales. Analicemos ahora imgenes con estructuras ms complejas y para esto vayamos a la figura

10, en la que vemos en tonos de gris y con variaciones suaves el rostro de una mujer: cmo podemos afirmar que diferenciamos el patrn espacial "ojos, boca o nariz"? En estos

casos un mismo patrn espacial no presenta fronteras tan definidas ni un nivel de valores tan homogneos como

aquellos patrones de la figura 16. Por tanto, en primer lugar podemos afirmar que los mencionados patrones del rostro de

la mujer se encuentran embebidos en un contexto que es precisamente el rostro, y en segundo, que el cerebro humano es capaz de suplir aquellas partes faltantes o poco claras del

patrn en cuestin. Esto quiere decir que distinguir dichos patrones est ntimamente relacionado con un proceso

cerebral que an no se encuentra claramente entendido; en otras palabras, la determinacin o no de un patrn espacial no se debe nada ms a su existencia fsica, sino tambin al

proceso o mtodo de anlisis de la imagen y, como el proceso cerebral mencionado no se encuentra completamente

clarificado, podemos afirmar que el reconocimiento o no de un patrn espacial puede finalmente constituirse como un hecho subjetivo y, como tal, depende del observador, del barredor

multiespectral, de las condiciones de iluminacin de la escena,

del tamao del CIV en relacin con sta y del mtodo de

anlisis. No puede obviarse esta subjetividad diciendo que un

patrn espacial podr reconocerse automticamente por medio de una computadora, puesto que los algoritmos

computacionales para hacer dicho reconocimiento los tiene que escribir un ser humano, que es quien va a plasmar en tales algoritmos criterios de carcter subjetivo. Qu podemos

decir entonces acerca de estructuras ms complejas? Podemos afirmar tres cosas: 1) siempre habr en una imagen

digital patrones espaciales bien definidos tanto en su forma y su frontera, como en la extensin que ocupan, los que podrn distinguirse sin ambigedad ya sea por cualquier observador,

o por una computadora debidamente programada; 2) ciertos patrones aparecern como aqullos de la figura 10, en donde

es necesario el manejo de elementos subjetivos para identificar los patrones espaciales sin ambigedad; claramente ser indispensable introducir, debido a tal

subjetividad, un conjunto de reglas que unifiquen en forma

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arbitraria, pero prctica, dichos elementos y 3) un conjunto

relativamente pequeo de patrones para los que no es posible un anlisis sin caer necesariamente en ambigedades, de tal

forma que el reconocimiento de esta clase de patrones es realmente circunstancial; para este tipo de patrones se requiere por tanto de una unificacin de criterios y

condiciones bajo las cuales se debe capturar la imagen digital correspondiente a la escena que se desee analizar. Por

ejemplo, ciertas condiciones de iluminacin pueden hacer aparecer a una imagen con sombras pronunciadas impidiendo la definicin clara de varios patrones espaciales.

Puede afirmarse ahora que los patrones espectrales siendo lgicos y por tanto bien definidos no presentan finalmente ningn grado de subjetividad, puesto que sta ha sido ya

previamente clarificada a travs de axiomas y definiciones concernientes al sistema de nmeros naturales. De ah que el

patrn espectral 4, 17, 19, 16 sea clara y definitivamente diferente a cualquier otra combinac