Sensors i captació primària de dades

La utilització d’imatges de teledetecció com a font de dades per a l’estudi i gestió del medi ambient ha guanyat popularitat en aquests darrers anys. Amb la disponibilitat de dades de diferents plataformes, amb un ampli rang de resolucions espacials, temporals i espectrals la utilització d’aquestes dades s’ha fet cada cop més usual.

Per tal que un sensor pugui captar l’energia reflectida o emesa per un blanc o una superfície ha d’estar col·locat en una superfície estable a una certa distància de l’objecte a observar. Les plataformes per als sensors de teledetecció poden estar situades a terra, sobre un avió o en un satèl·lit artificial fora de l’atmosfera terrestre. Un sensor situat en un satèl·lit artificial té vocació de cobertura mundial, encara que pot estar ubicat en una òrbita que serveixi preferentment una regió concreta del globus.

Teledetecció

Aquest és un terme genèric que descriu l’acció d’obtenir informació d’un objecte amb un sensor situat a una certa distància. Els sensors es basen en la detecció de l’energia emesa o reflectida per l’objecte. Dos bons exemples de sensors són l’ull humà, que funciona amb la llum reflectida, i el sonar que detecta ones de so.

De totes maneres, normalment es considera una versió una mica més restringida de la teledetecció, i es refereix a derivar informació de la superfície de la Terra amb una plataforma a una certa distància del terra.

Fig.1: Espectre electromagnètic.

Sensors d’imatge

Els sensors de teledetecció es poden dissenyar per detectar diferents tipus d’energia, com ara radiació electromagnètica, gravetat, magnetisme i ones de so, encara que l’energia electromagnètica és la més utilitzada (Fig.1).

La font de radiació utilitzada pel sensor pot ser o no independent del mateix sensor. Els sensors actius, com ara el radar, dirigeixen radiació d’algun tipus cap a l’objecte i detecten la quantitat d’energia que és retornada per l’objecte. Els sensors radar treballen en les regions de l’espectre electromagnètic de les microones i ones de ràdio. Un altre exemple és el LIDAR (Laser Imaging raDAR), que opera en les zones de l’espectre òptic (visible i infraroig proper). Els sensors passius depenen de la radiació originada per una altra font, especialment, pel Sol. L’energia solar reflectida es detecta en el visible, infraroig proper i infraroig mig, mentre que l’energia emesa pels propis objectes es detecta en l’infraroig mig i en l’infraroig tèrmic. Alguns sensors de microones, com ara alguns radiòmetres, també poden treballar com a sensors passius.

Certes regions de l’espectre electromagnètic són completament absorbides pels diferents gasos que composen l’atmosfera, per la qual cosa no poden ser utilitzades per agafar dades per teledetecció de la superfície terrestre. Les zones de l’espectre que no estan afectades per aquests processos s’anomenen finestres atmosfèriques (Fig.2).

Fig.2: Zones de l’espectre electromagnètic sense absorció atmosfèrica i emissió per radiació

Es poden aconseguir dades de teledetecció de la superfície de la Terra sols si els sensors operen dins d’aquests límits. Aquestes finestres permeten la detecció de l’energia solar reflectida per la superfície de la Terra en longituds d’ona corresponents al visible i a l’infraroig, així com l’energia emesa per la Terra en dues regions de l’infraroig tèrmic i radar o microones passives en longituds d’ona més llargues.

Mètodes de registre de dades

Els sensors de teledetecció poden enregistrar les dades directament en pel·lícula fotogràfica o digitalitzar els valors de radiació enforma numèrica per produir una imatge digital. El registre en pel·lícula de les dades sols demana el revelat per poder fer interpretació visual de les imatges, però caldria digitalitzar-les si es vol fer un procés informàtic. Una imatge digital, en canvi, ja té directament el format per ser processada informàticament però caldrà un cert procés per a poder visualitzar-la.

Sensors multiespectrals

Són un tipus especial de dispositiu que mesura la quantitat d’energia que li arriba en múltiples finestres de l’espectre electromagnètic, normalment restringides a la zona del visible i l’infraroig.Com aquestes longituds d’ona poden patir efectes severs pels efectes atmosfèrics, la utilitat d’aquests aparells per a l’estudi de la superfície de la Terra pot estar fortament limitada per les condicions de l’atmosfera.

Aquests sensors capturen la radiació electromagnètica en un nombre determinat de finestres espectrals que s’anomenen bandes o canals. El principi d’operació és similar als filtres usats en càmeres fotogràfiques per limitar alguns dels colors a la imatge.

Mètodes d’operació dels sensors multiespectrals

Els modes d’operació dels sensors multiespectrals es poden agrupar en tres categories bàsiques, depenent del mecanisme seleccionat per veure cada píxel. Són:
• Electromecànics, si el sensor oscil·la de costat a costat, escombrant el terra per formar la imatge
• Lineals, si una ínia de sensors s’utilitza per captar els valors a lo llarg d’una línia perpendicular a la direcció de moviment
• De perspectiva central, si el sensor capta tota la imatge en un sol instant, des d’una única posició central , tal com fa una càmera fotogràfica

Electromecànics
Aquest tipus de sensor utilitza un mirall oscil·lant per reflectir la radiació cap als detectors. Aquests detectors estan situats al darrera de filtres que permeten seleccionar la longitud d’ona de l’energia electromagnètica que els travessa. Aquesta energia es converteix en una senyal electrònica contínua que és mostrejada a intervals de temps regulars per donar valors discrets de píxel a lo llarg de cada línia d’imatge.

La limitació fonamental d’aquest mecanisme és el temps limitat disponible per llegir que té cada detector, temps que s’ha de dividir entre tots els píxels de la línia. Una de les conseqüències és que aquesta mena de sensors tenen poques bandes, que no poden ser massa estretes per tal d’adquirir una relació senyal soroll prou gran. El ràpid moviment oscil·latori del mirall acostuma a no ser suficientment regular la qual cosa porta problemes quan es vol fer la correcció geomètrica de la imatge. Els sensors de la sèrie Landsat s’han basat en aquest mètode d’operació.

Lineals
Un disseny més modern utilitza una línia de detectors CCD (Charge Coupled Device) per formar una línia d’imatge on cada detector s’utilitza per llegir el valor de un únic píxel a cada línia.

Un avantatge d’aquest disseny és que el sensor no té parts mòbils que puguin crear incerteses en la posició i, en disposar de més temps per enregistrar l’energia de cada píxel, es poden crear més bandes i més estretes, mantenint encara una bona relació senyal/soroll. El sensor resulta més barato, lleuger i petit amb menys requeriments de potència, i té més resolució espacial i radiomètrica. Un desavantatge és que el gran nombre de detectors requereix un calibratge radiomètric molt acurat per evitar el ratllat vertical a la imatge. Una limitació suplementària és que la tecnologia CCD és complica per longituds d’ona més enllà de l’infraroig proper. Els sensors de la sèrie SPOT s’han bast en aquest mètode d’operació.

Perspectiva central
Aquesta tecnologia pot ser tant electromecànica com CCD per formar les imatges, però es formen no des del centre de la línia sinó des del centre de la imatge. El tipus de distorsió que es pot trobar és similar a la que trobaríem en la fotografia. Moltes de les càmeres fotogramètriques digitals utilitzen aquest tipus de tecnologia.

Dins d’aquesta categoria hi ha un tipus de sensor basat en una tecnologia diferent. Es tracta del FLIR (Fourier Transform Infra Red). Aquests sensors divideixen la llum incident en dues parts mitjançant un mirall semitransparent i les tornen a reunir, generant les franges d’interferència amb diferents separacions. La transformada de Fourier proporciona una imatge hiperesepctral. L’avantatge d’aquesta aproximació és que proporciona imatges de moltes bandes espectrals, molt estretes. És especialment efectiva en la zona de l’espectre de l’infraroig tèrmic i l’infraroig mig, complementant molt bé la tecnologia CCD. El desavantatge és que hi ha parts mòbils que demanen temps, complicant la captura d’imatges en moviment i la seva correcció geomètrica. La majoria dels sensors per a detecció de concentracions de gasos en l’atmosfera treballen amb aquesta tecnologia.

Microones

Els sensors de microones operen en longituds d’ona en el rang 1 a 1000 mm i poden ser tant actius com passius. En els actius, com ara el radar, el propi sensor proporciona l’energia per il·luminar el blanc, del qual desprès mesurarà la resposta. Els sensors passius usen l’emissió natural de la Terra i els efectes introduïts pel sòl i l’atmosfera per mesurar una certa varietat de paràmetres geofísics.

Treballar en aquesta zona de l’espectre ofereix l’oportunitat de seleccionar bandes que no es veuen afectades per la cobertura de núvols o la majoria de condicions meteorològiques. Els sensors actius , a més a més, són independents de la il·luminació solar i es poden utilitzar de dia i de nit. Això quasi bé garanteix l’adquisició d’imatges en la data prevista, cosa que no es pot garantir amb els sensors òptics, especialment en zones tropicals o de latituds altes.

Radar

Radar és un acrònim de Radio Detection And Ranging, és a dir, s’usen ones de radio per detectar objectes i determinar la seva posició. El principi d’operació és dirigir polsos de microones a un objecte i mesurar la intensitat, l’origen (i, de vegades, la polarització) del retorn. La distància del objectes es determina a partir del temps que triga la senyal en retornar.

La senyal de radar pot treballar a diferents longituds d’ona. Hi ha definides unes certes bandes codificades d’una manera peculiar (Fig.3).

Fig.3: Distribució de les bandes de freqüència dels sensors radar.

Les bandes X, C i L són les més usualment utilitzades per aplicacions de teledetecció. La senyal radar es pot generar de manera que la vibració es restringeixi a un pla perpendicular a la direcció de propagació. Dins d’aquest pla es poden contemplar dos direccions independent, que anomenarem polaritzacions. Normalment parlarem de la polarització horitzontal (H) i la vertical (V). La polarització es pot restringir en l’emissió i en la recepció, donant peu a quatre modes diferents: HH, HV, VH i VV. Diferents fenòmens poden modificar la polarització de la senyal i, per tant, la manera que els objectes apareixen en la imatge resultant.

S’utilitzen diferents tipus de sensors basats en radar en teledetecció:
• Radar de visió lateral o Side-Looking Airborne Radar (SLAR)
• Radar d’obertura sintètica o Synthetic Aperture SLAR (SAR)
• Altímetre
• Dispersòmetre

Radar de visió lateral o Side-Looking Airborne Radar (SLAR)
En aquest cas es transmet lateralment (lluny de la vertical) un pols d’energia en diferents direccions. El retorn d’aquesta energia permet construir una imatge, a la manera com ho fan els sensors electroòptics. La dimensió del píxel d’aquesta imatge dependrà del temps que es trigui en emetre el pols i de l’amplada de banda utilitzada, que és directament proporcional a la longitud d’ona de la senyal i inversament proporcional a la longitud de l’antena. Aquests tipus de sensors s’anomenen Real Aperture Radar (RAR). Degut a les limitacions físiques de l’antena que es pot instal·lar en un avió, aquest tipus de sistemes estan restringits a vols de baixa alçada i curta longitud d’ona.

Radar d’obertura sintètica o Synthetic Aperture SLAR (SAR)
En els sensors anteriors la longitud física de l’antena posava una limitació molt forta en la utilitat per a les aplicacions de teledetecció. Als anys 50 es va desenvolupar un mecanisme per poder sintetitzar una antena molt més llarga que l’antena física del sensor, processant les mesures d’intensitat i fase obtingudes mentre el objecte és dins del feix d’ones generat pel sensor. Al incrementar la longitud de l’antena sintètica s’aconsegueix un increment proporcional de la resolució de la imatge. Pràcticament tots els sensors radar d’imatge utilitzen aquesta tecnologia.

Altímetre
Aquest és un radar que no genera imatge. Detecta el retorn d’una superfície a un pols molt estret que s’emet perpendicularment a aquesta superfície, amb l’objectiu de mesurar la seva distància. Sobre la superfície dels oceans els altímetres permeten mesurar l’alçada de els onades la velocitat del vent i la topografia del geoide.

Dispersòmetre
Aquest sensor mesura la dispersió de microones provocada per superfícies. La superfície és escombrada en dos o més direccions, normalment per sensors múltiples. L’aplicació primària és la mesura de la direcció i velocitat del vent sobre els oceans, a partir dels patrons de rugositat provocats sobre la superfície de l’aigua.

Radiòmetres de microones

Aquests sensors passius operen en longituds d’ona més curtes que el radar. Es basen en detectar emissions tèrmiques en la regió de les microones. El rang de longituds d’ona detectats corresponen a zones de molt baixa energia. La intensitat de la radiació depèn de la temperatura de l’objecte i les propietats de emitància, transmitància i reflectància de l’objecte. Com s’opera amb nivells de baixa energia la imatge és relativament sorollosa, té baixa resolució espacial i usualment és més difícil d’interpretar.

Aquest tipus de sensors han estat molt utilitzats per a la mesura de la humitat atmosfèrica. També s’utilitza per a la determinació de la humitat al sòl, caracteritzar el gel i fer mesures de salinitat al mar.

Evolució en els sensors i plataformes de teledetecció

Podem arribar a definir diferents etapes en l’evolució de sensors i plataformes de teledetecció. Algunes han transcorregut en paral·lel a les altres però totes es poden caracteritzar en termes de tecnologia, concepte d’utilització de les dades, aplicacions científiques o característiques de les dades. Són les següents:

Teledetecció aerotransportada

Va evolucionar durant la primera i segona guerra mundial. En aquest cas la teledetecció es va utilitzar amb propòsits de reconeixement militar, cartografia i topografia. Posteriorment va esdevenir una plataforma on demostrar conceptes nous sobre sensors abans de passar a instal·lar-los en satèl·lits artificials. També han estat utilitzats per captar imatges de més alta resolució espacial/temporal en zones d’abast regional o local. Molts sistemes de teledetecció han estat desenvolupats en plataformes aerotransportades per la dificultat (o la manca de rendibilitat) en satèl·lits artificials. Aquest és el cas dels sensors hiperespectrals (centenars de bandes) treballant en múltiples finestres de l’espectre electromagnètic com ara els sensors CASI, SASI, MASI, TASI del fabricant Itres. Similar és el cas dels sistemes actius multifreqüència i multipolarització, com ara el E-SAR del DLR, que treballa simultàniament en les bandes C, X i L.

Satèl·lits espia

Des del principi de l‘era espacial es va veure que els satèl·lits artificials tenien característiques que els feien ideals per a l’observació militar. Podien passar una i altra vegada sobre qualsevol lloc de la Terra a suficient distància per ser quasi bé invulnerables.

Al més cru de la guerra freda els satèl·lits espia, com ara els de la sèrie Corona van ser àmpliament utilitzats. Les imatges eren captades quasi bé exclusivament amb propòsits militars. Les dades eren analògiques, però la tecnologia desenvolupada seria utilitzada a continuació amb propòsits civils. Aquesta aplicació ha anat demanant sensors de cada cop més resolució espacial, amb capacitat de treball en condicions pobres d’il·luminació i amb resolució espectral cada cop més fina i ha permès desenvolupar la tecnologia que, més tard, va ser aplicada als satèl·lits d’aplicacions civils.

Satèl·lits meteorològics

Tant aviat com l’any 1959 el satèl·lit TIROS-1 va començar a agafar imatges de la Terra per aplicacions meteorològiques. La utilitat d’aquesta aproximació va ser tan evident que va conduir ràpidament a l’establiment de llargues sèries de satèl·lits per donar un servei continuat per a aquesta aplicació relacionada amb el medi ambient. Inclou els satèl·lits geoestacionaris (GOES i Meteosat) i els satèl·lits d’òrbita polar (NOAA/AVHRR i METOP). De bon principi aquestes imatges van ser tractades en format digital per permetre el seu tractament amb sistemes de procés d’imatge i poder integrar-se ràpidament en models atmosfèrics i meteorològics.

Sèrie Landsat

Va començar l’any 1971 amb el llançament del satèl·lit ERTS-1 (aviat rebatejat com a Landsat-1) i que portava un sensor molt innovador. Es tractava del MSS (Multi Spectral Scanner) que feia un escombrat simultani en quatre bandes espectrals. Aquest satèl·lit permetia agafar una imatge complerta de tot el món, perquè l’òrbita polar heliosíncrona estava sincronitzada de tal manera per permetre aquesta captura d’imatge global d’alta resolució. Aquest satèl·lit va ser seguit pels números 2 i 3 de la sèrie, bàsicament iguals a l’original, i pels 4 i 5, que van incorporar el sensor nou TM (Thematic Mapper), més avançat, amb més resolució espacial i més resolució espectral. El número 7 (el 6 va desaparèixer després del llançament) portava una versió millorada del sensor TM anomenat ETM+. És en procés de desenvolupament un Landsat-8, amb un nou sensor d’imatge més avançat (1).

Sèrie SPOT

El satèl·lit SPOT-1 (Sisteme Pour l’Observation de la Terre) va ser llançat l’any 1986. També tenia una òrbita heliosíncrona i va ser innovador al introduir una nova tecnologia de captura d’imatges amb sensors CCD lineals i al incorporar, per primer cop, un sensor multispectral de tres bandes (verd, vermell, infraroig proper) de 20 m de resolució espacial i un sensor pancromàtic de 10 m. A aquest el van seguir els 2 i 3 de la sèrie. El 4 va incloure una quarta banda en l’infraroig mig. El 5 va donar un salt qualitatiu al incrementar la resolució espacial de les bandes multiespectrals fins a 10 m i la del pancromàtic fins a 2,5 m. Hi ha previst la construcció i llançament dels satèl·lits SPOT-6 i 7 per continuar donant servei a les aplicacions ja operatives.

Sistemes d’observació de la Terra

Diferents països han posat en marxa programes més o menys ambiciosos de satèl·lits d’observació de la Terra. Apart dels actors principals, com ara els EEUU, l’ESA o França, és paradigmàtic el programa d’observació de la Terra de la Índia així com els del Japó, Brasil, Israel, Korea i Taiwan, tots ells amb programes a llarg termini, desenvolupant diferents sensors per donar servei a moltes aplicacions. En el cas d’Espanya s’ha decidit apostar per un satèl·lit (Ingenio) amb un sensor pancromàtic de 2 m de píxel i un multiespectral en la zona de l‘espectre visible i proper infraroig de 10 m, així com un satèl·lit (Paz) amb un sensor SAR en banda X de 3 m de píxel.

Sensors de cobertura global

Es caracteritzen per utilitzar dimensions de píxel relativament baixes (entre 250 m i 1 km) amb una resolució espectral molt rica i una resolució temporal molt alta, per permetre una captura continuada de dades. Són una evolució dels satèl·lits meteorològics polars, però amb aplicacions al medi ambient més àmplia que la captura d’informació meteorològica. Són el cas dels sensors MODIS i MERIS. Una sèrie especial de sensors de cobertura global són les sensors orientats a la mesura de concentracions de gasos, específicament dissenyats per a ser sensibles a tipus específics de gas.

Sensors actius en microones

La tecnologia SAR va permetre la creació d’imatges d’alta resolució amb sensors actius de microones. El primer satèl·lit que va embarcar un d’aquests sensors va ser el Seasat-1 l’any 1978, orientat a l’obtenció de dades dels oceans. Quan l’Agència Espacial Europea va escollir una tecnologia per als seus satèl·lits d’observació de la Terra va ser precisament aquesta i es van llençar l’ERS-1 i 2 (banda C) i, més tard, l’ENVISAT, el qual està previst que tingui continuïtat amb el futur Sentinel-1 (banda C). Canadà va llençar el Radarsat-1 i, més tard, el 2 (banda C). El Japó el JERS-1 (i més tard l’ALOS/PALSAR) (banda L). Alemanya va posar a l’espai el TerraSAR-X i aquest any també el satèl·lit Tandem-X (banda X) per a la creació de models del terreny per interferometria. Itàlia aposta per la constel·lació Cosmo/SkyMed (banda X). Cal també mencionar el SRTM americà (banda C) orientat a la creació d’un model global d’elevacions del terreny.

Indústria privada

Fins fa molt poc temps la definició, construcció i gestió dels satèl·lits d’observació de la Terra van ser d’iniciativa pública. A partir de la derogació per part del president Clinton de la prohibició dels satèl·lits amb sensors d’alta resolució per a usos civils van aparèixer un seguit d’iniciatives privades per definir, construir i gestionar satèl·lits d’observació de la Terra de molt alta resolució, val a dir que amb un suport econòmic molt gran del departament de defensa americà. En aquest grup són els satèl·lits Ikonos i QuickBird, així com el WorldView i el GeoEye amb imatges de 0,5 m a 1 m de píxel. Un altre exemple de la iniciativa privada és el de la constel·lació RapidEye de 5 satèl·lits idèntics, amb 5 bandes espectrals i 6,5 m de píxel d’una companyia alemanya especialment dedicats a aplicacions agrícoles i control d’assegurances. També entren en aquesta categoria els futurs satèl·lits SPOT-6 i 7 que seran totalment suportats per la companyia SPOT Image.

Present i futur

Aquest article ha estat un intent de classificar els sensors de teledetecció, emmarcant-los en caselles que haurien de permetre fer-ne la comparació, però constantment es proposen nous sensors que poden caure en categories diferents a les comentades fins ara.

Una tendència dels sistemes d’observació de la Terra ha estat la reducció de les seves dimensions. El satèl·lit de teledetecció més pesat llençat fins ara ha estat l’ENVISAT (Fig.4), amb fins a 10 sensors diferents i 8,2 tones de pes, però la tendència actual és dissenyar satèl·lits específics per a aplicacions concretes. La reducció de cost resultant ha permès que diferents països poguessin accedir a la possibilitat de disposar de sistemes propis d’observació de la Terra. Naturalment, la reducció de cost pot venir per una tecnologia millor o per estalviar algun aspecte considerat no essencial, com ara una bona òptica, un bon sistema d’apuntament del sensor, un bon control de posició i actitud o un segment terra adequadament dotat. Aquest mena de decisions condueixen a sistemes d’observació de la Terra que permetin l’adquisició del coneixement i experiència necessaris per poder assolir fites de més empenta en el sector espacial, així com fer-se més visibles en un context internacional però no mantenir i suportar sistemes operatius d’observació de la Terra.

Les previsions de la companyia Euroconsult (2) són que el llançament de satèl·lits d’observació de la Terra de tota mena previstos en els propers 10 anys arribaran als 230 nous satèl·lits.

Fig.4: El satèl·lit ENVISAT

La tendència a satèl·lits més petits també ha augmentat la versatilitat dels sistemes, potenciant l’aparició de constel·lacions de satèl·lits que busquen reduir el temps necessari per obtenir una imatge d’una zona qualsevol (DMC, Cosmo/SkyMed, RapidEye) o que poden col·laborar per a una aplicació concreta (TerraSAR-X i Tandem-X).

En qualsevol cas, els usuaris dels sistemes d’observació de la Terra que treballen amb aplicacions operatives demanen per davant de qualsevol altra consideració la garantia de la continuïtat en el servei. Aquesta consideració és una de les que ha motivat el compromís amb el servei futur de la sèrie SPOT i també de la Landsat, o l’aposta de l’ESA pels satèl·lits Sentinel (3).

Notes
1.- http://ldcm.nasa.gov/about.html
2.- http://www.viasatellite.com/st/headlines/31275.html
3.- http://www.esa.int/esaLP/SEMZHM0DU8E_LPgmes_0.html