Conceptos Básicos sobre Imágenes Satelitales – Fotogrametría pt. 1

Las imágenes satelitales son hoy día la fuente más económica y efectiva de adquirir datos de grandes áreas de manera regular para un sin número de aplicaciones. Se calcula que a la fecha ya han sido lanzados más de 5,000 satélites desde que en 1957 Rusia inició la carrera espacial con el lanzamiento del Sputnik 1.

¿Qué es una Imagen Satelital?

Las imágenes satelitales son fotografías de la superficie de la Tierra tomadas desde el espacio por un satélite artificial. Estas imágenes son útiles para estudiar el clima, la vegetación, la contaminación, la geología, la topografía y la planificación urbana, entre otros casos de uso. También se utilizan para hacer mapas y para monitorear desastres naturales, como terremotos, inundaciones y huracanes. Gracias a las imágenes satelitales, podemos ver la Tierra desde una perspectiva diferente y obtener información muy valiosa.

La reciente tecnología de los nanosatélites está atrayendo a muchos más participantes a este mercado promoviendo a futuro el crecimiento acelerado de sensores de observación y las tecnologías relacionadas. Un punto de observación situado entre los 500km y 1,000 km sobre la superficie de la tierra permite captar muchos km2 en tan solo segundos de forma controlada, automatizada y suficientemente precisa para una gran cantidad de aplicaciones. Además, esta tecnología tiene la gran ventaja de que se pueden modelar matemáticamente la trayectoria orbital y la posición del sensor.

La comprensión del efecto atmosférico que tenemos en la actualidad permite minimizar cada vez más el reto de la observación a distancia de los objetivos en el suelo. El resultado es que los productos satelitales son cada vez más precisos y abundantes. Los datos extraídos de estos son también cada vez más fieles a la realidad que buscamos evaluar. Esta mayor disponibilidad, precisión, resolución y facilidad de uso por expertos y no expertos potencian una mayor dependencia en esta tecnología como fuente de información para nuestras actividades cotidianas. Aún ante la evolución y masificación de plataformas no tripuladas las cuales están limitadas, al menos hoy día, por características técnicas tales como capacidad, operación experta y tiempo requerido en el procesamiento de los datos, regulaciones, riesgos, etc.

Conceptos Técnicos de las Imágenes Satelitales

Una imagen satelital es un archivo de formato raster que contiene información de la intensidad de la radiancia de los elementos sobre el suelo. Esta información describe la posición, la forma, la textura y la capacidad espectral de cada porción del elemento a la que corresponde el pixel en la imagen. Hoy día existen técnicas y herramientas para analizar cada uno de estos aspectos. En este trabajo nos enfocamos a la información de posición con la cual se define el «dónde» de la data observada.

Todos estos conceptos fueron desarrollados en la fotogrametría aérea y luego fueron aplicados a las imágenes satelitales. La mayor diferencia entre estas tecnologías es la distancia del sensor al objetivo. Mientras que una aeronave puede estar a unos pocos cientos de metros sobre el suelo, un satélite de alta resolución vuela cercano a los 700 km de suelo.

En una imagen óptica, el valor registrado en cada pixel representa la energía del sol rebotada en los elementos sobre el suelo y que llega hasta el sensor. Hay que tener en cuenta que el recorrido de la luz solar a través de la atmósfera es muy accidentado. De forma que el valor registrado en la imagen contiene alteraciones atmosféricas importantes que deben corregirse para determinar el valor real del objeto.

Correcciones a una Imagen Satelital

La información captada en un sensor en la atmósfera requiere de procesamiento previo de dos tipos para que podamos utilizarla adecuadamente (Díaz, Quintero, Triana, y Morón; 2014):

a. Correcciones radiométricas. Su objetivo es remover la perturbación del espectro originados por componentes atmosféricos y por los instrumentos.

Nota: Técnicas modernas como la utilización de bandas de onda corta o SWIR (longitudes de onda entre 1,195 nm y 2,295 nm) de alta resolución (7.5m) están permitiendo el desarrollo de nuevos algoritmos que eliminan neblina, humo y otros. Por otro lado, las características de absorción de un material solo son evidentes en muchos casos en estos rangos del espectro electromagnético por lo que mágicamente aparecen cosas que antes no eran visibles.

b. Correcciones geométricas. Remueven los errores generados por los efectos de la rotación, la curvatura terrestre, la no-linealidad del sensor y los efectos panorámicos.

Estas correcciones son necesarias para la corrección de los errores inherentes en las imágenes satelitales.

Naturaleza de los Errores en las Imágenes Satelitales

Los errores comúnmente encontrados en las imágenes satelitales son:

1. Errores de fabricación del sensor. Ningún instrumento fabricado por el hombre es perfecto. Sin embargo, podemos medir las distorsiones con procedimientos de calibración del instrumento una vez sale de fábrica.
2. Efectos de absorción o dispersión de la energía en la atmósfera. Estos son producidos por las moléculas de los gases atmosféricos y por partículas de aproximadamente el mismo tamaño que las longitudes de onda (aerosoles).
3. Efectos por el ángulo de visión del sensor a cada pixel. La visión cónica del terreno que tiene el sensor produce un ángulo de incidencia que se amplía según la distancia del pixel a la posición nadir de la imagen.
4. Efectos por la curvatura de la tierra.
5. Efectos por el relieve. La pendiente y la altura del terreno modifica la orientación y distancia del plano de visión de cada uno de los píxeles en la imagen. Esto ocurre con respecto al plano de exposición del sensor.

Las alteraciones que describimos en a, b, c y d son de naturaleza sistemática, lo cual nos permite moderar y corregir posibles errores.

Otros efectos son más complicados y requerimos corregirlos de forma empírica, utilizando puntos de control, información de alturas, relieve y conocimiento técnico del operador. Todo esto sirve para lograr un procesamiento de la imagen mucho más riguroso.

Las correcciones geométricas intentan corregir los efectos señalados y darle una visión perpendicular a cada pixel (ortocorrección) y así lograr un producto de precisión cartográfica. 

Tipos de Procesamiento en una Imagen Satelital de Alta Resolución

En las siguientes publicaciones vamos a evaluar las diferencias en precisiones de los distintos niveles de tratamiento en que podemos adquirir las imágenes satelitales de alta resolución:

1. Procesamiento Estándar de las Imágenes de Maxar.
2. Corrección con Testigos de Campo y DEM (ortorectificación)
3. Fotogrametría digital de estéreo pares satelitales (ortorectificación)

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