Principales Aplicaciones de Los Sensores

7/23/2019 Principales Aplicaciones de Los Sensores

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UNIVERSIDAD DE CHILE,FACULTAD DECIENCIASAGRONMICASINGENIERA EN RECURSOS NATURALES RENOVABLES

DPTO.CIENCIASAMBIENTALES Y RECURSOS NATURALESPERCEPCIN REMOTA

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Principales aplicaciones de los sensores Thematic Mapper(TM) y Enhanced Thematic Mapper Plus (ETM+) de LandSat

para el estudio de glaciares.Fuentes J., Guillermo S., Estudiante Ing. en Recursos Naturales Renovables, Facultad de

Ciencias Agronmicas, Universidad de Chile.

Resumen Los sensores Thematic Mapper (TM) y Enhanced Thematic Mapper Plus (ETM+), alojados enlas plataformas Landsat 5 y Landsat 7 respectivamente son capaces de captar radiacin en 7 bandas espectrales(azul, verde, rojo, 3 en el infrarrojo cercano y 1 en el infrarrojo trmico) agregndose el pancromtico alETM+ en el visible. Una de las aplicaciones interesantes de estos sensores es el estudio de glaciares, ya que suestudio humano in-situ presenta dificultades debido a las grandes extensiones, las condiciones extremas y lalejana de las zonas ocupadas por los glaciares. Cabe mencionar que el aporte realizado por estos satlites debeser validado en terreno. La plataforma Landsat-7 a diferencia del Landsat 5 presenta una banda Pancromticacon resolucin espacial de 15m., perfeccionamiento del sistema de calibracin radiomtrica de los sensores yperfeccionamiento de la geometra de captura. Para el estudio de glaciares se elabor un ndice normalizado denieves (NDSI) con la diferencia de las bandas 2 y 5 dividido por su suma, ste ndice elimina parcialmente losefectos atmosfricos, ya que en la banda 2 la nieve y las nubes poseen una alta reflectancia, a diferencia de la

banda 5 en que la reflectancia en la nieve cae drsticamente mientras que la de las nubes contina siendo alta.Sin embargo, en algunos tipos de hielo la reflectancia no es tan elevada, por lo que la aplicacin de este ndiceno sera tan factible para cartografiar estos hielos. Para analizar el retroceso de los glaciares se utilizan seriestemporales de imgenes Landsat a travs del NDSI de 2 o ms aos distintos en igual fecha y reclasificandoestos NDSI con valor 1 para los valores mayores a 0,4 y 0 para los dems. Mientras que para la estimacin de lasuperficie glaciar se puede utilizar tanto el NDSI como la razn TM4/TM5 debido a que la reflectancia de lanieve/hielo aumenta conforme disminuye la longitud de onda, especialmente por debajo de 0,8-1,2 m. Lastcnicas simples de procesamiento de imgenes, tales como el anlisis de las relaciones entre las bandas 3 y 5 o 4y 5 del Landsat o el ndice de diferencia normalizado de nieves (NDSI) han sido de gran utilidad para el estudioy anlisis de masas de hielo en materias como el mapeo, estimacin de superficies, la caracterizacin, el balancede masas de hielo, el movimiento y dinmica de los glaciares o su distribucin espacial.

Palabras clave: Landsat, Thematic Mapper, Enhanced Thematic Mapper Plus, glaciares, teledeteccin.

AbstractThe sensors Thematic Mapper (TM) and Enhanced Thematic Mapper Plus (ETM +), hosted onplatforms Landsat 5 and Landsat 7 respectively are able to capture radiation in 7 spectral bands (blue, green,red, 3 in the near infrared and 1 in thermal infrared) adding the panchromatic ETM + in the visible. One of theinteresting applications of these sensors is the study of glaciers, as his human study in-situ presents difficultiesdue to large extensions, the extreme conditions and the remoteness of the areas occupied by glaciers. It isnoteworthy that the contribution made by these satellites must be validated in the field. The Landsat-7platform unlike Landsat 5 has a panchromatic band with 15m. of spatial resolution, improving the system ofsensor radiometric calibration and refinement of the geometry of capture. For the study of glaciers developed aNormalized Difference Snow Index (NDSI) with the difference bands 2 and 5 divided by their sum, this indexpartially removes atmospheric effects, since in the band 2 snow and clouds have a High reflectance, unlike theband 5 in the reflectance drastically drops in the snow while the cloud remains high. However, in some types ofice reflectance is not as high, so that the application of this index would not be as feasible to map these ices. Toanalyze the retreat of glaciers using Landsat time series through NDSI of 2 or more different years on the same

date and by reclassifying the NDSI with value 1 for values greater than 0.4 and 0 for others. Whereas forestimating the ice surface can be used both as the ratio TM4/TM5 NDSI because the reflectance of the snow /ice increases as the wavelength decreases, especially below 0.8-1.2 um. Simple techniques of image processing,such as the analysis of the ratio bands 3 and 5 or 4 and 5 of Landsat or normalized difference snows index(NDSI) have been useful for the study and analysis of mass ice in areas such as mapping, area estimation,characterization, ice mass balance, movement and glacier dynamics and their spatial distribution.

Key Words: Landsat, Thematic Mapper, Enhanced Thematic Mapper Plus, glaciers, remote sensing.

INTRODUCCINLa teledeteccin es una tcnica que utiliza

sensores areos o espaciales para la obtencin de

informacin de la superficie terrestre, para lainterpretacin de sta informacin se desarrollan

diversos modelos fsicos que permiten tener una

idea de qu es lo que se est percibiendo esto

genera la posibilidad de identificar diversos tipos

de superficies terrestres dependiendo del sensorque se utilice (Chuvieco, 2008).


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PRINCIPALES APLICACIONES DEL SENSOR THEMATIC MAPPER (TM) YENHANCED THEMATIC MAPPER PLUS (ETM+) DE LANDSAT PARA ELESTUDIO DE GLACIARES.


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Un sensor de teledeteccin est compuesto por 2

partes, el sensor propiamente tal y la plataforma en

la cual se encuentra alojado, los cuales son

diseados con el objetivo de obtener informacin

especfica dependiendo de la misin en curso

(Chuvieco, 2008). Los sensores Thematic Mapper

y Enhanced Thematic Mapper Plus, alojados en lasplataformas Landsat 5 y Landsat 7

respectivamente son capaces de captar radiacin

en 7 bandas espectrales (azul, verde, rojo, 3 en el

infrarrojo cercano y 1 en el infrarrojo trmico)

agregndose el pancromtico al ETM+ en el

visible, estos sensores han sido empleados como

complemento a estudios orientados al

medioambiente en distintas reas de la ciencia

como por ejemplo oceanografa, recursos

naturales, estudios costeros, agricultura,

planificacin urbana, contaminacin, geologa,

hidrogeologa o glaciologa (Fernandez y Herrero,

2001).

La glaciologa es el estudio que se encarga de

analizar los diversos fenmenos que afectan a las

masas de agua en estado slido as como tambin

las caractersticas y dinmicas de sta, debido a las

condiciones extremas poco hospitalarias para el

ser humano, las grandes extensiones y la lejana de

las zonas ocupadas por los glaciares y la crisfera

en general, se dificulta el estudio cientfico insitu

de las grandes masas de hielo, por lo que la

teledeteccin cumple un rol bastante importante al

momento de investigar este campo (Bindschadleret al, 2001).

Es as como grandes avances se han logrado a

travs de la teledeteccin, debido a la eficiencia de

trabajar con datos e imgenes satelitales, pues la

mayora de las tcnicas que no involucran

teledeteccin se llevan a cabo realizando

mediciones y adquisicin de datos a travs de

campaas de campo realizados en las zonas de

ablacin ms bajos de unos pocos glaciares, esto

trae consigo intensas jornadas de trabajo bajo

condiciones climticas extremas, altos costes en

logstica e implementos y se requiere de espaciosacotados para llevar a cabo los estudios, as mismo

las limitaciones financieras hace imposible un

anlisis acabado, ms bien solo podemos

muestrear un puado de los glaciares existentes

(Bamber y Rivera, 2007; Heid, y Kb, 2012).

Si bien el estudio con tcnicas de teledeteccin se

realiza de forma remota y es una de las formas ms

eficientes de obtener datos estadsticos

representativos de las regiones que queremos

estudiar, es necesario tambin algn tipo de

control en tierra o de validacin de datos y

mtodos de percepcin remota que se estn

utilizando (Bamber y Rivera, 2007).

ESPECIFICACIONES TCNICASUna imagen del Landsat 7 se compone de 8 bandas

espectrales que al combinarse se pueden obtener

variadas composiciones de color y opciones de

procesamiento. Las mejoras tcnicas que posee

con respecto al satlite Landsat 5 es la adicin de

una banda espectral (pancromtica) con unaresolucin de 15 metros. Adems, posee mejoras

en cuanto a caractersticas radiomtricas y

geomtricas, banda trmica de 60 metros y una

resolucin de 1:25.000 (Fernandez y Herrero,

2001).

En cuanto a su rbita, el Landsat 7 puede adquirir

imgenes en un rea que se extiende desde los 81

de latitud norte hasta los 81 de latitud sur, y a lo

largo de todas las longitudes. La rbita la realiza

en aproximadamente durante 99 minutos, dando

14 vueltas a la Tierra por da (resolucin

temporal). Esta rbita es descendente (de norte asur) y est heliosincronizado, es decir, que siempre

pasa a la misma hora por determinado lugar

(Fernandez y Herrero, 2001).

El perodo de resolucin (16 das) y el rea que

cubre la imagen (185x185 km por escena) se

mantuvieron con respecto al Landsat 5, lo que

permite integrar perfectamente el procesamiento

de imgenes obtenidas desde ambos satlites

(Perna, 2003).

TABLA 1.DIFERENCIAS DE RESOLUCIN ESPECTRALENTRE EL SENSOR TMDEL LANDSAT 5Y EL SENSOR

ETM+DEL LANDSAT 7.TM ETM+

Banda 1 0.45 0.52 0.45 0.52Banda 2 0.52 0.6 0.52 0.61Banda 3 0.63 0.69 0.63 0.69Banda 4 0.76 0.9 0.76 0.9Banda 5 1.55 1.75 1.55 1.75Banda 6 10.4 12.5 10.4 12.5Banda 7 2.08 2.35 2.08 2.35Banda 8 052 09

FUENTE:ELABORACIN PROPIA EN BASE A:NASA,

1998.

Las principales diferencias tcnicas entre ambos

satlites son:

- Adicin al Landsat-7 de una bandaPancromtica con resolucin espacial de

15m.

- Perfeccionamiento del sistema de calibracinradiomtrica de los sensores, lo que

garantiza una precisin radiomtrica

absoluta de 5%.


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3

- Perfeccionamiento de la geometra de captura,lo que brinda una mayor precisin en

imgenes corregidas slo a partir de datos

de efemrides de satlite generadas por el

GPS de abordo, muy prxima a la precisin

obtenida con imgenes georeferenciadas

con puntos de control cartogrficos.

Las bandas 2, 4, 5 y 6 del TM son de especial

importancia para el estudio de los glaciares debido

a que la banda 2 plasma el pico de reflectancia en

el espectro visible, la banda 4 es susceptible a la

variabilidad en la respuesta espectral causada por

la diferencia de tamao de grano de nieve en el

rea de acumulacin de los glaciares, y la fusin

solidificacin de la nieve previamente fundida, la

banda 5, la cual es til para diferenciar entre nieve

y nubes, y tambin muestra diferencias sutiles en

la reflectividad de la superficie de los glaciares ypor ltimo la banda 6 (banda trmica) la cual es

til para medir la temperatura de la superficie y la

deteccin radiomtrica de nueves compuestas por

cristales de hielo sobre la nieve y hielo (Hall et al,

1987).

NDICE DE DIFERENCIA NORMALIZADO DE NIEVE(NDSI)

La nieve y el hielo poseen rasgos que las

distinguen de otras cubiertas, las cueles se pueden

observar a partir de de la visualizacin de las

distintas bandas de los sensores TM y ETM+, en

torno a un glaciar por ejemplo es posible encontrar

zonas rocosas o de suelo desnudo, vegetacin,

agua y por supuesto nieve y hielo, entre el espectro

visible y el infrarrojo cercano y medio podemos

encontrar diferencias significativas entre estas

coberturas terrestres, por ejemplo, en las bandas

del visible se pueden apreciar que las zonas

nevadas poseen una alta reflectancia (fraccin de

energa reflejada dividido en la cantidad de

energa incidente) comparadas con las zonas

circundantes no nevadas, por lo que los glaciares

pueden distinguirse de las zonas con vegetacin o

del agua cercana (con tonos ms oscuros), ms nose pueden distinguir de las rocas desnudas,

mientras que en la banda del infrarrojo cercano y

medio la reflectancia del hielo y del agua

disminuye drsticamente observndose tonos

oscuros mientras que las zonas con vegetacin, y

rocas se observan con tonos ms claros, as mismo

se puede distinguir tambin las zonas nevadas de

las zonas cubiertas por nubes debido a que en la

banda 2 la nieve y las nubes poseen una alta

reflectancia, a diferencia de la banda 5 en que la

reflectancia en la nieve cae drsticamente mientras

que la de las nueves contina siendo alta (Alonso y

Moreno, 1969).

FIGURA 1.FIRMAS ESPECTRALES DE LA NIEVE (SNOW),LA VEGETACIN (VEGETATION),EL SUELO (SOIL)Y EL

AGUA (WATER).

FUENTE:KLEIN,A.G.,D.HALL Y G.A.RIGGS.1998.

Con estas bandas se puede por lo tanto elaborar un

ndice normalizado de nieves con la diferencia de

las bandas 2 y 5 dividido por su sumaal ser ste

un ndice normalizado se eliminan parcialmente

los efectos atmosfricos (Dozier, 1989).

El contraste que se menciona anteriormente se

encuentra presente para la mayor parte de las

superficies cubiertas por nieve o hielo, sin

embargo la reflectividad (fraccin del flujo de

energa que se refleja) en algunos tipos de hielo no

es tan elevada, por lo que la aplicacin de este

ndice no sera tan factible para cartografiar estos

hielos (Alonso y Moreno, 1969).

PRINCIPALES APLICACIONES

Descubrimiento e identificacin de glaciares

Los datos de Landsat han sido fuente primordial

para la investigacin glaciolgica. Landsat 7

ETM+ cuenta con las bandas correspondientes a

sus antecesores pero se le agrega una banda

pancromtica que ayuda an ms en la

identificacin de glaciares, con mayor resolucin

(60 mts) y una banda trmica que permite

distinguirlo de suelo o cuerpos de agua. Adems

de tener visin de todo el globo en 15 dasalmacenando alrededor de 100 imgenes. Es as

que cuando existe hielo marino es que el alto

albedo refleja parte de la onda corta entrante,

tambin el hielo ser detectable en los cambios de

estacin pues en verano se produce un gran

intercambio de calor. Una de las complejidades

para detectar los glaciares con Landsat es que si

hay presencia de nubes no ser visible, es por esto

entonces que se utilizan las imgenes del fin de la

poca estival. Es as que la firma espectral y el

albedo ayuda a discriminar la nieve ms nueva o

ms antigua. (Bindschadler et al, 2001).


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4

Es as como se utiliza el Indice de Diferencia

Normalizado de Nieves para delimitar e identificar

los glaciares, con esta se selecciona nicamente

aquellos pixeles que cumplan con la condicin de

formar parte del glaciar. Segn lo propuesto por

Jeff Dozier, se selecciona como superficie de

nieve todo aquel pixel con valor superior a 0,4(Gasca y Jimnez, 2012)

Anlisis de retroceso

Para analizar el retroceso de los glaciares se

utilizan series temporales de imgenes Landsat,

pues, como ya se dijo las imgenes Landsat ha

proporcionado un medio confiable para registrar la

presencia y el carcter de hielo en zonas remotas

desde el principio de la serie en 1972 (Bamber y

Rivera, 2007).

Utilizando el mismo mtodo para identificar

glaciares a travs del NDSI de 2 o ms aosdistintos en igual fecha y reclasificando estos

NDSI con valor 1 para los valores mayores a 0,4 y

0 para los dems. Una vez reclasificados se crea

una mscara con ambas imgenes y se aplica una

combinacin analtica de capas (que consiste en

restar la imagen ms reciente a la ms antigua) con

la que se puede cuantificar la masa glaciar

desaparecida, obteniendo valores entre -1 y 1

siendo el valor 1 la perdida los pixeles que

representan la prdida del glaciar (Gasca y

Jimnez, 2012).

Estimacin de la superficie glaciar

Para la estimacin de la superficie glaciar se puede

utilizar tanto el NDSI que se nombra anterior

mente como la razn TM4/TM5 debido a que la

reflectancia de la nieve/hielo aumenta conforme

disminuye la longitud de onda, especialmente por

debajo de 0,8-1,2 m (es por eso que dentro del

espectro visible su color es blanco), poseyendo

una muy baja reflectancia para longitudes de onda

superiores a 1,5 m. (Maestro y Recio, 2004)

Utilizando la razn TM4/TM5 se llega a una

composicin en la que segn Hall et al, 1987podemos reclasificar con valores 1 para todos

aqullos valores mayores a 2 y 0 para el resto, con

esto siendo los valores mayores a 1 aquellos que

representan a la nieve o el hielo y utilizando

herramientas sig como arcview por ejemplo se

puede obtener la superficie glaciar en hectreas.

Caracterizacin de las masas de hielo

Es posible caracterizar las masas de hilo glaciar a

travs de la relacin entre distintas bandas debido

al contraste entre las caractersticas de imagen

formadas por las bandas 3 y 5 o las bandas 4 y 5,

esta ltima tcnica es particularmente til en laeliminacin de las variaciones de intensidad

causadas por las sombras. Al realizar una mscara

con la relacin TM4/TM5 o TM3/TM5 es posible

delimitar la zona en la cual se desea caracterizar

dichas masas de hielo (Gao y Liu, 2001).

FIGURA 2.CURVAS DE REFLECTANCIA ESPECTRAL

ENTRE 0.4AND 1.2M PARA NIEVE FRESCA (FRESHSNOW),FIRN,HIELO GLACIAR (GLACIER ICE)Y HIELOGLACIAR SUCIO (DIRTY GLACIER ICE).

FUENTE:PELLIKKA,P.,REES,G.2010

Al analizar las diversas firmas espectrales de las

masas de hielo que conforman los glaciares es

posible encontrar notables diferencias en su

reflectancia plasmada en la banda 3) tal como se

observa en la figura 2 diferenciando estas masas

de hielo principalmente en 4, la nieve fresca, el

hielo glaciar (el cual es la masa de hielo

permanente del glaciar), el firn (hielo que se

encuentra en un estado intermedio entre nieve y

hielo glacial) y hielo glaciar sucio (Paul et al,

2003.).

Balance de masa de glaciares

El balance de masa de un glaciar es la diferencia

entre la masa de hielo acumulada y la masa de

hielo perdida a lo largo del ao, o en otras

palabras calcular las prdidas y ganancias de masa

glaciar, por lo que este balance se realiza con

imgenes Landsat de dos periodos distintos del

ao, uno de trminos de la poca de nevazones, endonde se tiene la mayor cantidad de nieve

acumulada y de fines de la poca del verano, en

donde los glaciares se reducen en el extremo final

como consecuencia del deshielo y la ablacin

(Ceballos y Meneses, 2010)

Es as como se analiza en estas dos pocas las

imgenes obtenidas de la plataforma Landsat para

calcular el rea total ocupada por las masas de

hielo, esto se realiza delimitando las zonas

cubiertas con hielo a travs del criterio de la

relacin TM4/TM5 o bien a travs del NDSI

umbralizando las imgenes resultantes pararealizar el clculo de rea y luego pasar a


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encontrar la diferencia entre la imagen de fines de

la poca de nevadas y la poca de deshielos

(Zenteno et al, 2004).

Movimiento y dinmica de los glaciares

Gracias a la gran cantidad de informacin que

entregan los sensores del Landsat debido a superiodo de revisita que es de 16 das se pueden

realizar series temporales de datos obtenidos a

travs de sus bandas, es as como a travs de series

temporales tanto de NDSI como de la relacin

TM4/TM5 o TM3/TM5 se pude plasmar la

dinmica que los glaciares van presentando a lo

largo de su historia y as registrar los cambios

morfolgicos de stos detectados en los anlisis

multiespectrales (Iturraspe y Strelin, 2002)

As mismo, es posible analizar la velocidad con la

que la masa glaciar vara, a travs del anlisis

multitemporal de imgenes satelitales (tcnicabasada en comparar visualmente los tonos de gris

o color que ofrecen 2 o ms imgenes de distintas

fechas) registrando patrones del hielo de la

superficie de los glaciares con imgenes

secuenciales del Landsat y es as como la

velocidad puede ser derivada a raz del

movimiento que se plasma en esta secuencia de

imgenes y su desfase temporal (Gao y Liu, 2001).

CONCLUSIONESEl aumento en el inters por crear instrumentos

que sean capaces de modelar y monitorear la

superficie terrestre han permitido generar

importantes avances en mtodos que logren

estimar con mayor precisin lo que existe sobre la

superficie terrestre, complementado con la mejora

de los instrumentos que captan estos datos.

Este nfasis va enfocado a mejorar las

predicciones de los procesos que afectan a la

sociedad en su conjunto, como por ejemplo el

cambio climtico, las inundaciones, la perdida de

fuentes hdricas, desertificacin o erosin entre

otras.

Es por esto que el uso de imgenes landast TM y

ETM+ es uno de los mtodos preferidos para el

anlisis y estudio de glaciares a travs de una toma

de datos de alta resolucin temporal (posee un

periodo de revisita de 16 das), alta calidad

radiomtrica pero baja resolucin espacial de 60

metros (lo que implica que el objeto ms pequeo

que puede ver el sensor es de 60X60 metros) ms

un pancromtico con resolucin espacial de 15

metros.

La resolucin espacial de las imgenes satelitales

en general restringe su aplicacin en los estudiosglaciolgicos solo a la cartografa y el seguimiento

de las caractersticas glaciales a gran escala por lo

que es imposible utilizar estas tcnicas con masas

de hielo ms pequeas, como por ejemplo la

delimitacin de alta precisin de estas masas.

La mayora de los esfuerzos realizados para el uso

de las imgenes satelitales en glaciares se basan enel mapeo de stos, la diferenciacin de nieve y

distintos tipos de hielos y la eliminacin de los

efectos de las nubes sobre las masas de hielo, esto

es mejor logrado a travs de la teledeteccin por

medio del VNIR (espectro electromagntico

visible e infrarrojo cercano).

Tcnicas de procesamiento de imgenes simples,

tales como el anlisis de las relaciones entre las

bandas 3 y 5 (TM3/5) o 4 y 5 (TM4/5) del Landsat

o el ndice de diferencia normalizado de nieves

han sido de gran utilidad para el estudio y anlisis

de masas de hielo en materias como el mapeo,estimacin de superficies, la caracterizacin, el

balance de masas de hielo, el movimiento y

dinmica de los glaciares o su distribucin

espacial.

En general la informacin plasmada en el VNIR es

de gran utilidad para el estudio de los fenmenos

en 2 dimensiones de los glaciares, como las

nombradas anteriormente, pero para el estudio en

3 dimensiones es necesario recurrir a tcnicas

complementarias como por ejemplo algoritmos

empricos, trabajos en terreno o el uso de radares oultrasonidos, las cuales nos entregan

caractersticas de profundidad.

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