UNIVERSIDAD DE MAGALLANES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD

“SENSORAMIENTO REMOTO DE IMÁGENES SATELITALES”

Pilar Andrea Caneleo Pérez.

Punta Arenas, 2010

UNIVERSIDAD DE MAGALLANES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD

SENSORAMIENTO REMOTO DE IMÁGENES SATELITALES

Trabajo de titulación presentando en conformidad a los requerimientos para obtener el título de INGENIERO CIVIL EN ELECTRICIDAD MENCIÓN ELECTRÓNICA INDUSTRIAL

Autor: Pilar Andrea Caneleo Pérez. Profesor Guía: Rolando Aguilar C. Patrocinador: Carlos Cárdenas M.

Punta Arenas, 2010

“Cuando quieres algo, todo el universo conspira para que realices tu deseo.” Paulo Coelho

RESUMEN En el presente trabajo de título se analizaran los algoritmos que se usan para determinar la temperatura de la superficie terrestre a partir de una imagen satelital. En una primera parte se estudiarán los glaciares a partir de su clasificación termal, destacaremos la importancia actual que tienen los glaciares tanto en nuestro país como en el mundo y los efectos que éstos tienen en la naturaleza. Para mayor detalle se especificará la clasificación de los sensores, las bandas de teledetección que existen y los sistemas satelitales. Se explicará cómo se obtienen las imágenes satelitales para esto se presenta un manual para usar USGS- Glovis, de donde se descargan las imágenes de cualquiera de los satélites existentes. También se presenta un manual de ENVI, software que se usa para procesar las imágenes satelitales y el cual se uso para obtener valores de temperatura y luego comparar con los resultados obtenidos en MATLAB. Finalmente se tomaron los algoritmos de TST (Temperatura superficial terrestre) y se procesarán tanto en MATLAB como en ENVI para comprobar que los resultados sean similares. A partir de este estudio se puede determinar que efectivamente es posible trabajar con MATLAB para modificar cualquier algoritmo que sea necesario utilizar y aplicarlos a las imágenes satelitales, obteniendo resultados satisfactorios.

ÍNDICE

RESUMEN INDICE CAPÍTULO I INTRODUCCIÓN……………………………………...............................1 CAPÍTULO II Teledetección y su aplicación a la glaciología……………………………5 2.1

¿Qué son los Glaciares? ……………………………………...6

2.2

Glaciaciones………………………………………………….. 7

2.3

Tipos de Glaciares……………………………………………..7 2.3.1 Glaciares Templados……………………………..7 2.3.2 Glaciares Fríos……………………………..…….8 2.3.3 Glaciares Politermales…………………………...8

2.4

Efectos de la naturaleza…………………………………..….10

2.5

Importancia del Estudio de los glaciares…………………….11

2.6

Aplicaciones del Sensoramiento Remoto a los glaciares….…14

2.7

Fundamentos de la teledetección…………………………….16

CAPÍTULO III Sensores Remotos y Sistemas Satelitales……………………………… 17 3.1.

Clasificación de Sensores Remotos………………………….18

3.2.

Bandas de Teledetección……………………………………. 26 3.2.1. Teledetección del Infrarrojo Visible…………………..26 3.2.2. Teledetección en el Infrarrojo Lejano………………....27 3.2.3. Teledetección en la Zona de las Microondas………….28

3.3 Sistemas Satelitales……………………………………………. 29

CAPÍTULO IV Estimación de temperaturas superficiales……………………………..33 4.1 Introducción…………………………………………………….34 4.2 Landsat 7 ETM+……………………………………………….35 4.2.1 Bandas Espectrales y resolución espacial……………...37 4.2.2 Niveles de corrección geométrica de las imágenes Landsat 7……………………………………………………..39 4.2.3 Formatos y soportes Existentes ……………………….41 4.3 Herramientas para adquisición y procesamiento de imágenes…43 4.3.1 Glovis………………………………………………….43 4.3.2 Envi…………………………………………………... 45 4.3.3 Conversión de banda térmica del Landsat 7 ETM+ a temperatura…………………………………………………..46

4.4 Fundamentación del algoritmo de procesamiento……………...48 4.4.1Algoritmos……………………………………………...50 4.5 Procesamiento de imágenes en ambiente Matlab……………...54 4.4.1 Cálculo de Temperatura superficial a partir de datos Landsat……………………………………………….…………......55 4.6 Resultados……………………………………………………....56

CAPÍTULO V Conclusiones Generales……………………………….………..……….60 BIBLIOGRAFÍA…………………………………………………………63

ANEXOS ANEXO A: GLOVIS…………………………………………………..…65 ANEXO B: ENVI…………………………………………………………74 ANEXO C: MATLAB……………………………………………………93

CAPÍTULO I INTRODUCCIÓN

Capítulo I. Introducción.

INTRODUCCIÓN

Chile se caracteriza por ser un país con grandes superficies glaciares, relacionadas con la cordillera de los Andes, la cual está presente a lo largo de todo nuestro extenso país. La cordillera de los Andes se extiende desde el Norte Grande donde la existencia de glaciares es escasa, hasta el sur de Chile. El extremo austral de Chile posee la mayor cantidad de hielo del hemisferio sur, sin contar con la Antártica. Las dos principales superficies englaciadas son el Campo de Hielo Norte y el Campo de Hielo Sur, los que han recibido la mayor atención en los últimos años. Las regiones australes se caracterizan por presentar un clima lluvioso y frio la mayor parte del año. Estas condiciones se podrían considerar como impedimento para el estudio y la investigación glaciológica. Es por esto que la tecnología digital de los Sistemas de información Geográfica, los sensores remotos y los radares han sido de gran utilidad para el estudio de las dimensiones y variaciones recientes de los más importantes glaciares de estas regiones. Debido al creciente desarrollo de la tecnología de imágenes satelitales, se han podido realizar estudios que permiten su evaluación desde estos satélites. Ejemplo de esto es un estudio realizado por la Universidad Austral de Chile, “Cartografía digital de la Reserva Nacional Valdivia a partir de imágenes satelitales Landsat TM”. (www.scielo.cl) 2

Capítulo I. Introducción.

Chile aloja una importante extensión de hielo de glaciar, y se debe considerar que es ahí donde se alberga la mayor reserva de agua dulce del planeta y la segunda reserva de agua luego de los océanos. Es importante monitorear los cambios que los glaciares puedan presentar, ya que son uno de los indicadores más confiables de variaciones de temperatura del planeta. Se estima que el retroceso de los glaciares, se debe principalmente al calentamiento global de la atmósfera. Es por esto la importancia de realizar estudios sobre la Temperatura superficial de los glaciares por medio del uso de los satélites. En el presente trabajo se expondrá en el segundo capítulo lo referente a la Glaciología y el Sensoramiento Remoto, donde se detallará la clasificación de los glaciares de acuerdo a su régimen térmico, los efectos de los glaciares en la naturaleza, la importancia del estudio de los glaciares, tema de gran importancia en este trabajo, algunas aplicaciones de la teledetección a los glaciares y finalmente algunos fundamentos básicos de la teledetección. En el tercer capítulo, se detallará la clasificación de los sensores remotos, la clasificación de las bandas de teledetección y una explicación sobre los sistemas satélites.

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Capítulo I. Introducción.

En el cuarto capítulo, se trata el tema de relevancia en este trabajo, donde se explican las herramientas utilizadas, como el tipo de satélite con el que se trabajó, que en este caso fue el Landsat 7 ETM+. Luego se presenta una breve explicación sobre las aplicaciones del navegador on-line USGS Glovis y el Software ENVI. La fundamentación de los algoritmos usados y cómo se procesaron las imágenes en el ambiente MATLAB darán cierre a este capítulo. Finalmente los Resultados obtenidos y las conclusiones darán término a este trabajo de título.

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CAPÍTULO II TELEDETECCIÓN Y SU APLICACIÓN A LA GLACIOLOGÍA

Capítulo II. Teledetección y su aplicación a la Glaciología

TELEDETECCIÓN Y SU APLICACIÓN A LA GLACIOLOGÍA

2.1 ¿QUE SON LOS GLACIARES?

Existen numerosas definiciones para explicar lo que se entiende por glaciar. En general se puede entender como una gran acumulación natural de hielo situada en tierra firme y afectada por un movimiento pasado o presente (Strahler y Strahler, 1989, p. 357). Para la formación de un glaciar es necesario que la cantidad de nieve caída sea mayor en invierno que en verano porque se deben superar las pérdidas de hielo las cuales son provocadas por la evaporación y por la fusión producida entre el hielo y la nieve. La acumulación de nieve se va produciendo cada año, y se van superponiendo las nuevas masas de hielo a las que ya están presentes. Acumularse la nieve y su compactación son las dos situaciones que se deben efectuar para generarse las masas de hielo granular, el hielo cristalino se formando a medida que se comprimen las capas superiores de nieve. El glaciar activo se conoce como la masa de hielo que adquiere grandes espesores y la base del glaciar adquiere una plasticidad que le permite a las masas de hielo desplazarse a favor de la pendiente. Cerca del 75% del agua dulce existente en el planeta de almacenada por los glaciares.

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Capítulo II. Teledetección y su aplicación a la Glaciología

2.2 GLACIACIONES Se conocen como glaciaciones a los largos periodos de tiempo donde la temperatura del planeta desciende al punto de ser lo suficientemente baja como para generar las grandes masas de hielo.

2.3 TIPOS DE GLACIARES Los glaciares se pueden clasificar de a cuerdo con su tamaño, forma, temperatura/dinámica y ubicación en las zonas climáticas. Debido a que el tema de interés son temperaturas superficiales, es que se especificará la clasificación basándose en la temperatura interior del glaciar.

2.3.1 Glaciares Templados: Para estos glaciares, la temperatura del hielo está unos pocos grados más bajos que la del punto de fusión. Los glaciares que se encuentran en la línea de la nieve cristalizada se ubican en las altitudes medias y en los trópicos. Son constantes los cambios que experimenta la nieve cristalizada en su formación. Ante los cambios climáticos la reacción de los glaciares templados es relativamente rápida. En el fondo de los glaciares fluyen continuamente ríos, los que se generan a partir de la fusión de los hielos. Desde el punto de vista de su formación se podría decir que estos glaciares son más eficientes que los polares.

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Capítulo II. Teledetección y su aplicación a la Glaciología

2.3.2. Glaciares Fríos: Estos glaciares se caracterizan por tener una temperatura de hielo inferior a 0° C en la zona de alimentación, esto tiene lugar en una zona de acumulación concreta. La pérdida de hielo y nieve es generalmente escasa. Al no existir estas pérdidas en la superficie, existe la formación de rocas a partir de sedimentos sueltos, los cuales pasan por un lento proceso de compactación. Una onda fría congela toda la masa durante invierno lo que impide el aumento de la temperatura en verano. En Chile existen glaciares fríos en los Andes del Norte, donde los escasos glaciares allí ubicados, están a gran altura, presentando temperaturas del orden de -15° C a -20° C. La mayor parte de la Antártica tiene carácter frío con muy escasa ablación (pérdida de hielo y nieve).

2.3.3 Glaciares Politermales: La temperatura del hielo está por debajo del punto de fusión en los glaciares politermales, y pueden alcanzar temperaturas cercanas al punto de fusión en la base del glaciar, generando un nivel de derretimiento. No se ha detectado la presencia de estos glaciares en Chile. Es importante destacar que lo glaciares por su conformación son muy susceptibles a los cambios climáticos, sirviendo como claros indicadores locales o globales.

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Capítulo II. Teledetección y su aplicación a la Glaciología

Un factor que influye en la velocidad del movimiento del glaciar se debe a la temperatura del hielo. Los glaciares templados se mueven con rapidez y los fríos lentamente. Los glaciares fríos que se encuentran en los polos están por debajo de la temperatura donde el hielo se derrite bajo presión. Los glaciares templados poseen una masa de hielo, la cual y sobre todo en su base, posee una temperatura en que el hielo se derrite bajo presión. Es muy característico de los glaciares templados la existencia de caudales de agua derretida y la posibilidad de que resbale la base del glaciar como forma de movimiento, esto se debe a la presencia de agua en la base del glaciar. En el caso de los glaciares polares, estos no pueden resbalar basalmente, debido a que está congelada en el subsuelo y en este sector el agua no se derrite.

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Capítulo II. Teledetección y su aplicación a la Glaciología

2.4 EFECTOS DE LA NATURALEZA

Al generarse un proceso glaciológico se producen varios efectos. Estos efectos en su mayoría son muy riesgosos. Algunos de los efectos que se pueden producir son; avalanchas de nieve, avalanchas de bloques de hielo, inundaciones debido a fusiones o asociadas a erupciones volcánicas, la rotura de presas naturales y la ocupación de zonas que puedan estar habitadas por el hombre. Como es de conocimiento mundial, debido al incremento y acumulación de CO2, otros gases y aerosoles de efecto invernadero es que se produce el calentamiento global. Es debido a este calentamiento global que se están produciendo grandes pérdidas de las masas de hielos, fracturas y el desmembramiento de bloques de hielo.

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Capítulo II. Teledetección y su aplicación a la Glaciología

2.5 IMPORTANCIA DEL ESTUDIO DE LOS GLACIARES

Debido a la posición geográfica en que se encuentra Chile, presenta condiciones naturales para el estudio de los hielos, tanto de sus glaciares como de sus suelos. Su importancia como elemento de balance natural de las temperaturas y su influencia en el clima y el medio ambiente hacen que la conservación y el estudio de los glaciares sean temas muy relevantes para la ciencia tanto del país como a nivel Mundial. Gracias a la realización de un inventario, se estima que existe una cifra superior a 3100 glaciares en una superficie de 20 kilómetros cuadrados. Esto prueba la trascendencia de los glaciares a lo largo de todo el país, en donde, a principios del 2009 se aprueba la Política Nacional de Glaciares. El volumen de agua almacenado en forma de hielo contribuye a que Chile sea el país con mayores reservas de agua dulce del hemisferio sur fuera de Antártica. Gracias a la investigación glaciológica (disciplina científica que estudia las propiedades y comportamiento de las nieves y los hielos) conocemos las características generales de los glaciares de Chile aunque aún faltan datos básicos, como por ejemplo un catastro preciso la cantidad de glaciares existentes en el país.

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Capítulo II. Teledetección y su aplicación a la Glaciología

Se establecen las acciones principales que se deben llevar a cabo para asegurar la adecuada conservación de estos glaciares, esto gracias a que el estado de Chile reconoce la gran importancia de los glaciares para el país y el ecosistema asociado. A pesar de que los glaciares son solo reliquias reducidas de las extensiones glaciales que existieron en épocas antiguas, todavía juegan un papel importantísimo en nuestros días: suponen el 90% del agua dulce del planeta. Este es un dato importante, ya que en la actualidad hay cada vez más agua contaminada, que potable. Gracias a los glaciares se crean corrientes de aire y agua, lo que aporta en el equilibrio del clima de la tierra, ayudando a que el ambiente sea menos sofocante. Los glaciares que fluyen y desprenden sus témpanos en los extensos y profundos lagos patagónicos y los fiordos del Pacífico, revisten gran importancia porque: - Corresponden a grandes reservas de agua fresca, el cual es un recurso natural que se utiliza para el riego, generación de energía hidroeléctrica, etc.,

factores que son importantes para el

desarrollo de la región. - Debido al creciente desarrollo turístico de la región, es que representa una fuente de ingresos cada vez mayor.

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Capítulo II. Teledetección y su aplicación a la Glaciología

- Su aporte contribuye a novedosos estudios referentes al cambio climático global y contribuyen al conocimiento sobre dinámica y procesos de desprendimiento de glaciares en agua dulce y marina. - Además contribuyen al aumento global del nivel del mar. Los campos de hielo sur y norte suman 17.200 Km2 y se estima que entre 1945 y 1996 se han perdido unos 825 ± 320 Km3 de hielo, produciéndose un aumento en el nivel del mar. Así de importante son los glaciares y seguirán viéndose afectados si no disminuimos nuestra dependencia por productos que generan los llamados gases de invernadero, que dan continuidad al calentamiento global.

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Capítulo II. Teledetección y su aplicación a la Glaciología

2.6 APLICACIONES DEL SENSORAMIENTO REMOTO A LOS GLACIARES. Es de gran importancia adquirir información de la superficie terrestre, en este caso de los glaciares, sin tener un contacto directo con ellos, gracias al análisis e interpretación de la energía reflejada de los diversos componentes que conforman la superficie terrestre. Algunas aplicaciones de la teledetección son: - Las imágenes multi-espectrales son utilizadas para obtener información sobre el medioambiente y la teledetección proporciona las técnicas y métodos que permiten analizar este tipo de imágenes. - Los sensores, como el ETM+, presente en el satélite Landsat 7, permiten desarrollar de forma más detallada estudios sobre los cambios en la superficie terrestre. - Lo que permite a los investigadores adaptar a su trabajo el uso de sensores remotos y de las fuentes de información automatizadas es la aparición de estas nuevas tecnologías que se usan en la observación de la tierra en conjunto a la aplicación de los fundamentos que rigen la percepción remota. Sobre todo para el monitoreo de zonas de difícil acceso; como es el caso de los glaciares.

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Capítulo II. Teledetección y su aplicación a la Glaciología

- Entre sus aplicaciones también es que se puede conocer el comportamiento futuro que pueda presentar un glaciar, todo esto teniendo suficientes datos sobre la condición actual del glaciar y asumiendo aspectos acerca del clima que se puede presentar en el futuro. -Utilizando imágenes satelitales y sensores remotos, se podría obtener información de los cambios en las dimensiones del área que ocupa un glaciar, siendo una herramienta útil con una exactitud y precisión acordes a la magnitud de los cambios esperados. -Los resultados obtenidos a partir de estos procesos podrían arrojar información acerca de la evolución de los glaciares y los motivos de su retroceso. -Algunas de las magnitudes que se pueden determinar a partir del Sensoramiento Remoto y las imágenes satelitales son; la Temperatura superficial, el albedo, línea de equilibrio, crecimiento de pastizales, marea roja, etc.

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Capítulo II. Teledetección y su aplicación a la Glaciología

2.7 FUNDAMENTOS DE LA TELEDETECCIÓN Los sistemas de teledetección espacial tienen una importancia muy significativa y es la información que entregan sobre el espectro. Es aquí donde los sentidos no son capaces de percibir los que sucede. El infrarrojo cercano, térmico o las microondas son fenómenos para los cuales estamos limitados a percibir. Con el fin de comprender todos estos aspectos, resulta importante investigar la forma en que se comportan las distintas superficies en esas bandas del espectro. Para mayor información sobre los fundamentos de la teledetección dirigirse a Manual para el manejo y procesamiento de imágenes satelitales obtenidas del sensor remoto MODIS de la NASA, aplicado en estudios de ingeniera civil [5].

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CAPÍTULO III SENSORES REMOTOS Y SISTEMAS SATELITALES

Capítulo III. Sensores Remotos y sistemas satelitales.

3. SENSORES REMOTOS Y SISTEMAS SATELITALES.

3.1 CLASIFICACIÓN DE SENSORES REMOTOS.

Cuando se habla de sensores remotos, lo primero que uno se imagina es un aparato muy parecido a lo que podría ser una cámara fotográfica, esto no se aleja de lo que es en la realidad, para el caso de sensores remotos los elementos que los componen son muy similares pero en este caso la tecnología que se usa es mucho más avanzada. La resolución que posee el sensor, se entiende como la habilidad para registrar (término utilizado por Estes y Simonett), se puede considerar que esta podría ser una definición un poco simple debido a que no se consideran otros factores. Cabe destacar que al hablar de resolución se deben considerar cuatro tipos; espacial, espectral, radiométrica y temporal. - Resolución espacial: este tipo de resolución hace referencia a la finura de detalles visibles en una imagen, lo que implica que objetos pequeños que puedan distinguirse de la imagen. Esta imagen está compuesta por pixeles, los que corresponden a la unidad más pequeña que se puede identificar en una imagen y representa una parte de la superficie que se observará. En una imagen, se mide como la mínima separación a la que los objetos aparecen separados en la misma imagen.

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Capítulo III. Sensores Remotos y sistemas satelitales.

La resolución espacial depende de factores como la altura, velocidad de exploración y número de detectores.

- Resolución espectral: esta resolución indica el ancho y número de bandas espectrales que son identificables por el sensor remoto. Considera el número de bandas, el ancho de la banda y el espaciamiento que el sensor es capaz de detectar de las longitudes de onda a lo largo del espectro electromagnético.

- Resolución temporal: esta resolución hace mención a los periódos con los que el sensor remoto proporciona una determinada cobertura sobre un punto. Estos periódos dependen de la órbita de la plataforma así como de las características propias del sensor. En cuanto a su diseño, se pueden encontrar sensores que captan y entregan información cada 30 minutos, así como existen sensores que tardan 20 días en cumplir con el proceso.

- Resolución radiométrica: esta resolución corresponde a la capacidad que tiene el sensor para detectar las variaciones que se presentan de radiancia espectral. Con la resolución radiométrica del sensor se identifica el número máximo de niveles digitales que presenta la imagen. Esto se indica a partir del número de niveles de la escala de grises captados por la imagen.

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Capítulo III. Sensores Remotos y sistemas satelitales.

Cada pixel de esta imagen viene definido como un número entero. A este número se le conoce como nivel digital, que puede ser fácilmente traducido en escala de grises. A mayor resolución radiométrica mejor se podrá interpretar la imagen. Los sensores remotos son generalmente clasificados en dos grupos de percepción pasiva o pasivo y los de percepción activa o activos.

3.1.1 Sensores remotos pasivos: estos sensores son encargados de obtener información de la energía electromagnética que

proviene de

fuentes naturales. Esta energía es reflejada por la superficie de la tierra. Estos sensores se clasifican en tres grupos diferentes; los fotográficos, los ópticos-electrónicos y de antena. Como ejemplo, se tiene que las cámaras fotográficas pertenecen al grupo de los sensores fotográficos, los exploradores de barrido pertenecen al grupo de los sensores optoelectrónicos y finalmente los radiómetros corresponden al grupo de las antenas.

-Sensores de barrido: son del tipo óptico-electrónico. Está diseñado para cubrir la superficie terrestre de manera metódica. Para realizar su proceso de captura, combina una óptica similar a la de los fotógrafos. Estos sensores poseen un sistema de detección electrónica. La composición de este sensor se basa en un espejo móvil.

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Capítulo III. Sensores Remotos y sistemas satelitales.

Este espejo oscila perpendicularmente a la dirección que toma la trayectoria. Gracias a esta característica el sensor puede identificar una franja de terreno a ambos lados del satélite. Estos sensores de barrido se conocen como los más comunes. La señal generada necesita ser almacena en antenas receptoras. Para esto, la radiancia del receptor es dirigida a un receptor, que convierte la señal. Finalmente la información obtenida se graba en dispositivos computacionales para luego ser procesadas. Este sensor tiene como objetivo principal convertir la señal analógica en un valor digital, es por esto que no se puede comparar con un sistema de fotografía. También es posible realizar el procedimiento contrario, esto quiere decir de análogo a digital, para la obtención de los valores de radiancia, pudiéndose realizar una medición más precisa de la superficie en observación. En estos equipos, la señal obtenida se descompone en longitudes de onda, cada una es enviada a un detector especial, sensible a este tipo de energía, conoció como sensor de barrido multiespectral, debido que se detectan en diferentes bandas espectrales la misma superficie.

-Sensores de empuje: Este sensor posee detectores en cadena los que reemplazan el espejo oscilante ocupado en el sensor de barrido. Estos detectores cubren todo el campo de observación del sensor y trabajan de acuerdo al movimiento orbital del satélite, los detectores reciben el nombre de dispositivos de acoplamiento por carga.

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Capítulo III. Sensores Remotos y sistemas satelitales.

El uso de esta tecnología permite una resolución espacial mayor que la de los de barrido, debido a la eliminación de la parte móvil. Las desventajas de este sensor son, la difícil calibración de los detectores y así mismo presentan dificultad con ampliación de la información espectral obtenida.

-Sensores fotográficos: en la actualidad, estos sensores son los más utilizados en particular de las plataformas aéreas como sistema de teledetección. En este caso la tecnología del sensor se basa en la impresión de imágenes sobre unas películas fotosensibles, además posee un sistema que permite aminorar las complicaciones al momento de la exposición. Las variables que influyen en este sistema son: ángulo de observación, cantidad de objetivos, altura de la plataforma y tipo de película. La altura de observación en la que se ubique este sensor, permite distinguir entre una fotografía espacial y una fotografía aérea. Las diferencias más mitigadas son la cobertura, geometría, resolución y nitidez. El tipo de cámara puede variar entre monobanda o multibanda, todo esto según la banda espectral captada en forma simultánea. Con respecto al ángulo de observación existen dos tipos de tomas, la primera se realiza para estudios variados y se hace de forma perpendicular al terreno y una segunda en forma oblicua con objetos estáticos.

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Capítulo III. Sensores Remotos y sistemas satelitales.

Finalmente el tipo de películas más utilizado es el pancromático (blanco y gris), las menos usadas son las películas en infrarrojo, que captan la radiación del infrarrojo en tonos grises.

-Sensor o radiómetro de microondas: Este sensor se caracteriza por operar en un rango que varía entre 0.1 cm y 1 cm. Se conoce que las microondas son radiaciones electromagnéticas de longitud de ondas largas. Este equipo está compuesto por un receptor un elemento direccional y finalmente un detector. La desventaja de este sensor es que posee una baja resolución espacial, esto se debe a que es un sensor de apertura circular y la resolución es inversamente proporcional al diámetro de apertura y directamente proporcional a la longitud de onda. Este sensor es utilizado en gran cantidad de estudios relacionados con el medio ambiente y una de sus mejores aplicaciones ha sido su uso para estudiar zonas en donde las temperaturas se encuentran bajo 0°C.

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Capítulo III. Sensores Remotos y sistemas satelitales.

3.1.2 Sensores remotos activos

Estos sensores obtienen la información de la energía electromagnética que proviene de fuentes artificiales. Luego de obtenida la información, ésta es grabada para luego ser analizada. Estos sensores se caracterizan por la capacidad de generar un haz de energía para luego captarlo tras la reflexión del haz sobre la superficie que se está observando. El sensor activo más conocido es el radiómetro de microondas que trabaja en una banda espectral que va entre 0.1 y 1 cm. Este equipo puede trabajar en cualquier condición atmosférica debido a la tecnología que poseen. Este tipo de sensor está compuesto por los siguientes elementos:

- Transmisor - Receptor - Antena - Sistema electrónico

Su funcionamiento consiste en un transmisor, que genera pulsos continuos de microondas. Los puntos generados al interior de un haz, son enfocados por una antena. Este haz ilumina la superficie de forma oblicua, con un ángulo de inclinación cercano a los 90 grados, lo que produce que la antena reciba una porción de energía.

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Capítulo III. Sensores Remotos y sistemas satelitales.

Esta energía es devuelta desde los objetos y gracias al eco generado, se puede medir la distancia. El radar se caracteriza por trabajar en un rango de longitudes de onda que van desde 1 cm a 1m. Debido a la variedad de bandas que presenta, puede reconocer objetos con diversas características, lo que se resalta principalmente es el brillo, la tonalidad y la textura.

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Capítulo III. Sensores Remotos y sistemas satelitales.

3.2 BANDA DE TELEDETECCIÓN

3.2.1 TELEDETECCIÓN DEL INFRARROJO REFLECTIVO Y VISIBLE.

La percepción remota del tipo pasivo se conoce como el reconocimiento del visible y el infrarrojo cercano. Esta información se consigue a partir de la cantidad de energía que es reflejada por un objeto luego de que esta incide sobre él (reflectancia). Lo que hacen estos equipos es capturar la información en forma digital y es común que esta captura sea en más de una banda. Al capturar la información y usar más de una banda es común que la penetración de cuerpos sólidos sea limitada. En el caso del hielo, la penetración puede alcanzar unos metros y para el caso de la nieve puede alcanzar unos centímetros. Ya sea en la capa vegetal como en los suelos, resulta fácil diferenciar sus características. Por lo tanto, el infrarrojo cercano tiene mejor aplicabilidad para investigaciones ambientales. Ejemplo de aplicaciones son; el monitoreo de las aguas, verificar el estado de la vegetación, verificar el estado de la nieve e identificar tipos de suelos y tipos de rocas. En la actualidad existe gran variedad de sensores remotos los que están a cargo del espectro, también son muy usadas las cámaras fotográficas para la identificación cartográfica.

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Capítulo III. Sensores Remotos y sistemas satelitales.

Los scanner electro ópticos también son usados como equipos de barrido, en algunos casos con exclusivo uso en el ámbito meteorológico.

3.2.2 TELEDETECCIÓN EN EL INFRARROJO LEJANO.

La energía radiante desde una unidad de área y por unidad de tiempo es lo que se conoce como emitancia. Entre 8 y 15 um es la banda en donde la emitancia se puede manifestar con mayor claridad, todo esto según las leyes de Planck y Wian. De acuerdo a su temperatura (300 Kelvin) esta área es conocida como el infrarrojo térmico. El infrarrojo térmico o termal utiliza la energía emitida por el propio objeto. El sensor capta esta información, gracias a la propiedad que poseen los cuerpos con temperatura mayor al cero absoluto. Es según la emisividad, que este fenómeno de radiación varía entre longitudes de ondas cortas y largas y también depende de la hora del día en que se encuentre. Entre 0.94 y 0.99 varía la emisividad en el agua y el hielo. El agua posee una propiedad de mayor inercia térmica, esto le permite estar más cálida de noche que de día. Para el caso de la vegetación, sus condiciones térmicas dependen de la densidad, la estructura, etc. Para el caso de los suelos secos, estos se caracterizan por poseer una inercia térmica menor, eso le permite presentar mayor temperatura en el día que en la noche.

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Capítulo III. Sensores Remotos y sistemas satelitales.

Finalmente la resolución de los sensores encargados del infrarrojo termal es mucho menor comparada con los del infrarrojo visible, esto se debe a la larga longitud de onda que posee este tipo de radiación termal. Estos equipos se caracterizan por usar una tecnología de barrido mecánico. El barrido mecánico consiste en que la radiación emitida por el objeto, es recibida por un detector fotoeléctrico. Este detector es previamente enfriado y la captura de información es tanto de día como de noche. Su principal aplicación es en trabajos militares y prevención de desastres.

3.2.3 TELEDETECCIÓN EN LA ZONA DE LAS MICROONDAS.

Cuando las longitudes de onda son de orden milimétricas que es donde nace la banda del espectro se le denomina región de las microondas, estas son las mayores longitudes que se utilizan en la teledetección, la emisividad de estas microondas depende exclusivamente de las propiedades dieléctricas, la rugosidad de la superficie y la estructura interna. En esta banda, cuando se habla de teledetección se implementa dos tipos de percepción remota, ya sea la pasiva como la activa, para el caso de los

sensores pasivos comúnmente se conocen como radiómetros de

microonda, que son poco usados y están compuestos por una antena de alto alcance, un sistema intercambio, una o varias fuentes de energía usadas para la calibración, un filtro de banda, amplificadores y un detector.

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Capítulo III. Sensores Remotos y sistemas satelitales.

Para el caso de los sensores activos estos emiten su haz de microonda con el fin de capturar la reflexión emitida por el objeto. Por otra parte encontramos el más conocido, el RADAR (Radio Detection and Ranking), estos poseen gran resolución espacial y algunos con resolución vertical como horizontal.

3.3 SISTEMAS SATELITALES

La plataforma o soporte y el sensor son los dos componentes esenciales de un sistema de teledetección. La plataforma es la encargada de transportar el sensor y ubicarlo para desarrollar su labor. La plataforma puede ser espacial, aérea o terrestre. A las terrestres se les conoce comúnmente como camiones, los que están equipados para el manejo con mucha exactitud del sensor remoto. Lo que respecta a las aéreas estas usualmente corresponden a aeroplanos que realizan trabajos de reconocimiento a áreas que son de difícil acceso. Finalmente los espaciales lo conforman claramente los satélites que son utilizados para lograr una cobertura de toda la superficie de la tierra. Se consideran los satélites originalmente como un cuerpo que se encarga de cubrir un movimiento alrededor de un objeto de mayor tamaño, las lunas y los artificiales son los tipos de satélites que existen. Los artificiales son construidos por el hombre.

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Capítulo III. Sensores Remotos y sistemas satelitales.

Un medio de comunicación con la tierra, una fuente de poder y un sistema de control son los componentes básicos de un sistema satelital. Según la órbita en la que viajan, es el principal factor para clasificar los satélites. Orbita se define como la trayectoria de movimiento de los satélites sobre la superficie terrestre, estas trayectorias varían de acuerdo a la altitud y rotación respecto al movimiento planetario. De acuerdo a la trayectoria los satélites se pueden clasificar en dos tipos de satélites:

-Satélites de Órbita Polar: la trayectoria de estos satélites es de norte a sur, lo que permite que el planeta se cubra de manera global. Como estos satélites se encuentran a baja altura. Su reconocimiento del planeta es mucho más detallado. Existen órbitas semejantes a las polares, en este caso los satélites viajan en una parte de su órbita hacia el polo norte y en otra parte hacia el polo sur. Como trayectorias ascendentes y descendentes son los nombres con los que se conocen respectivamente las trayectorias. La trayectoria es ascendente si el equipo se encuentra sincronizado con el sol y la trayectoria la realizará del costado sombrío de la tierra, si es descendente lo hará del lado ilumina de la tierra. Finalmente existen satélites que han sido modificados para trasladarse en una trayectoria diferente a la polar y la geoestacionaria, que realizan trabajos más específicos dependiendo del área en que se quiera aplicar. La trayectoria que sigue un satélite de órbita polar se puede apreciar en la figura 3.1.

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Capítulo III. Sensores Remotos y sistemas satelitales.

Figura 3.1 Imagen representativa de la trayectoria que sigue un satélite de órbita polar.

-Satélites de Órbita Geoestacionaria: Estos satélites adquieren una velocidad la cual es semejante a la velocidad angular de rotación de la tierra. Debido a esto los satélites de órbita registran siempre información que hace referencia al mismo sector en la tierra, este satélite se puede encontrar a unos 36000 Km de altura. Este tipo de satélite es importante cuando se necesita información sobre estudios meteorológicos, esto es gracias a la altura que se encuentra la que facilita la observación del comportamiento del clima. Finalmente éstos registran información en forma continua. Como es la trayectoria de los satélites de órbita geoestacionaria, se puede ver en la figura 3.2.

31

Capítulo III. Sensores Remotos y sistemas satelitales.

Figura 3.2 Imagen representativa de la trayectoria que sigue un satélite de órbita geoestacionaria.

32

CAPÍTULO IV ESTIMACIÓN DE TEMPERATURAS SUPERFICIALES.

Capítulo IV. Estimación de temperaturas superficiales.

ESTIMACIÓN DE TEMPERATURAS SUPERFICIALES

4.1 INTRODUCCIÓN

Es de gran importancia conocer las temperaturas de las superficies (TST). Algunos procesos que se pueden entender a partir de esto son; el intercambio de energía entre la superficie de la tierra y la atmósfera, las necesidades hídricas de los suelos agrícolas y finalmente las condiciones ambientales y su propia emisividad. Lo primero será, hacer una descripción sobre lo que respecta al Landsat 7 ETM+, sus Bandas Espectrales y resolución espacial, los Niveles de corrección geométrica de las imágenes Landsat 7, las Herramientas para adquisición y procesamiento de imágenes, la Fundamentación del algoritmo de procesamiento, procesamiento de los algoritmos y finalmente los resultados obtenidos.

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Capítulo IV. Estimación de temperaturas superficiales.

4.2 LANDSAT 7 ETM+

Los satélites Landsat corresponden a un conjunto de satélite, que gracias a Estados Unidos se construyeron y se pusieron en órbita. Estos satélites se utilizan para la observación de la superficie terrestre en alta resolución. La órbita a la que estos satélites giran alrededor de la tierra es circular helio sincrónica, la inclinación que adoptan es de 98.2° respecto del Ecuador, la altura a la que están estos satélites es de 705 Km, y gira en un período de 99 minutos. El diseño de la órbita de los satélites fue creado de tal forma que cruzan el Ecuador, yendo de Norte a Sur. Estos satélites se caracterizan por estar equipados con instrumentos que son específicos para la teledetección. En 1972 se dá comienzo al programa Landsat con su primer satélite el Landsat 1. Las imágenes utilizadas en este trabajo corresponden al Landsat 7. Este satélite que fue lanzado al espacio en 1999. Uno de los satélites que lleva más tiempo en órbita operando fue lanzado en 1985 y es el Landsat 5. ETM+ (Enhanced Thematic Mapper Plus), corresponde al nuevo sensor que se encuentra en el último satélite que fue lanzado en abril de 1999. La operación de este dispositivo está en manos y es administrado por la NASA (National Space and Space Administration), luego la comercialización y producción de las imágenes que se pueden obtener de este sensor están a cargo de la USGS (United States Geological Survey).

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Capítulo IV. Estimación de temperaturas superficiales.

Una imagen que se obtenga del Landsat 7 ETM+, está compuesta por ocho bandas espectrales, estas bandas pueden combinarse utilizando diferentes algoritmos según las aplicaciones del usuario final. Entre el satélite Landsat 5 y el Landsat 7 existe diferencia en cuanto a mejoras técnicas, por ejemplo, se adiciona una banda espectral conocida como banda Pancromática que posee una resolución de 15 m. Sus mejoras van también por el ámbito de las características geométricas y radiométricas. Además se mejoró la resolución espacial de la banda térmica que corresponde a 60 m. Landsat 7, gracias a sus nuevos avances tecnológicos, está clasificado como uno de los satélites más interesante al momento de generar imágenes a una escala de 1:25.000. Las imágenes que se adquieren a través del sensor ETM+, presentan mejor relación en el tema costo-beneficio. Esto en comparación con satélites que generan imágenes de resolución media (de 15 a 30 m), que son ofrecidas actualmente en el mercado. Landsat 5 y Landsat 7 poseen el mismo período de revolución, que corresponde a 16 días, destacándose como un factor muy importante. Además sus imágenes cubren la misma área que corresponde a 185x185 km por escena.

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Capítulo IV. Estimación de temperaturas superficiales.

Es muy importante conservar estos parámetros técnicos, ya que facilitan que la captura de imágenes pueda realizarse con la misma grilla de referencia (WRS2), esto permite una perfecta integración entre los datos históricos del Landsat 5, existente desde 1984 y el procesamiento de imágenes del Landsat 7. Para un estudio multitemporal, es especialmente útil utilizar los dos tipos de datos de un mismo lugar en forma simultánea. 4.2.1 Bandas Espectrales y resolución espacial La resolución espacial de 30 m del Landsat 5 (canales 1,2,3,4,5 y 7) se mantiene para las bandas del espectro visible y del infrarrojo. Los canales 6L y 6H corresponden a las bandas del infrarrojo térmico y son adquiridas con una resolución de 60 m, contra los 120 m del Landsat 5. La banda Pancromática, nueva para el Landsat 7, corresponde al canal 8 y tiene una resolución espacial de 15 m. El siguiente cuadro comparativo ilustra las diferencias de resolución espectral entre el sensor TM del Landsat 5 y el sensor ETM+ del Landsat 7. Los valores, expresado en micrones, representan los límites de longitudes de onda a los que es sensible cada banda espectral.

37

Capítulo IV. Estimación de temperaturas superficiales.

Sensor

Banda1

Banda2

Banda3

Banda4 Banda5 Banda6 Banda7 Banda8

TM

0.45

0.52

0.63

0.76

1.55

10.4

2.08

(µm)

0.52

0.60

0.69

0.90

1.75

12.5

2.35

ETM+

0.45

0.53

0.63

0.78

1.55

10.4

2.09

0.52

(µm)

0.52

0.61

0.69

0.90

1.75

12.5

2.35

0.90

Tabla 4.1 Diferencias en el ancho de banda, entre el sensor TM del Landsat5 y el sensor ETM+ del Landsat 7.

-La banda Pancromática – (banda 8): esta banda posee una resolución espacial de 15 m. Genera imágenes que pueden ser ampliadas hasta una escala de 1:25.000. Corresponde a la mayor novedad del sensor ETM+ . -La banda Termal – (banda 6): el Landsat 7 tiene la capacidad de generar la banda 6 con una ganancia alta y una ganancia baja. Esto permite tener opciones para el análisis y sus respectivas aplicaciones. Entre estas aplicaciones se encuentra la medición relativa de la temperatura radiante o un cálculo de temperatura absoluta.

38

Capítulo IV. Estimación de temperaturas superficiales.

4.2.2 Niveles de corrección geométrica de las imágenes Landsat 7 Para

todos

los

satélites

que

se

encuentran

disponibles

comercialmente, las correcciones del sistema se hacen con algoritmos de rectificación de la imagen original tomada por el satélite. Estas son aplicadas en forma automática en la estación donde son recepcionadas las imágenes. Para esto se usan parámetros espaciales contenidos en los archivos descriptores de la imagen (posicionamiento y efemérides del satélite). Estos algoritmos, consiguen minimizar las variaciones espaciales presentes en la imagen en su estado original. También existen correcciones del ángulo de curvatura terrestre, variaciones de velocidad, altura del satélite y desplazamientos orbitales. Estas imágenes que entrega el Landsat 7 están disponibles en 3 niveles de corrección geométrica: -Nivel 4: en este nivel la corrección es básica, la imagen es radiométrica y geométricamente corregida de forma sistemática. -Nivel 5: las correcciones en este nivel también consisten en una imagen con correcciones sistemáticas, con la diferencia que se georeferencian utilizando las efemérides del satélite. Los algoritmos de corrección modelan la posición del satélite y la geometría del sensor a través de datos que una computadora a bordo del satélite graba sobre la captura.

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Capítulo IV. Estimación de temperaturas superficiales.

Altitud, posición del satélite, y parámetro del satélite, descrito en el archivo Payload Correction Data (PCD) y en el archivo de Calibration Parameter File (CPF), son los componentes fundamentales usados para la generación de productos nivel 5 y garantizan la fidelidad geométrica general de la imagen. -Nivel 6: en este nivel se exige la intervención adicional de un operador, ya que el proceso no es automático ni ejecuta una corrección sistemática. También existen otros dos niveles para la corrección geométrica que se conocen como: -Ortoimagen: Para este nivel se necesita un operador que intervenga sobre la imagen corregida, esto con puntos de control utilizando un Modelo Digital de Elevaciones (DEM), el que corrige todas las distorsiones. En resumen el proceso consiste en una ortoimagen georreferenciada a la proyección cartográfica deseada. -Imagen de Fusión (Merge): este nivel consiste en una mezcla de resoluciones espaciales de buena calidad, esta se da entre la excelente resolución espectral del Landsat 7 y la banda pancromática. Los factores que influyen en una correcta interpretación de la información, son los atributos de textura y color que provienen de las imágenes satelitales.

40

Capítulo IV. Estimación de temperaturas superficiales.

Para discriminar áreas que presentan variación relevantes es fundamental lo descrito anteriormente, un ejemplo de esto son los tipos de vegetación y especies, patrones de uso, interpretación que tiene relación con la morfología y la ocupación del suelo. 4.2.3 Formatos y Soportes Existentes El Landsat 7 entrega sus imágenes en formato digital. Cada imagen cubre 185x185 km (escena completa). Bandas

Aplicaciones

Longitudes de onda

-Mapeo de aguas costeras -Diferenciación entresuelo y vegetación. 1

0.45-0.52 (azul)

-Diferenciación entre vegetación conífera y decidua. - Índice de vegetación.

2

0.52-0.60

- Calidad de agua.

(verde) -Absorción de la clorofila. -Diferenciación de especies vegetales. 3

0.63-0.90 (rojo)

-Aéreas urbanas, uso de suelo. -Agricultura. -Calidad de agua. -Delineamiento de cuerpos de agua. -Mapeo geomorfológico.

4

0.76-0.90 (infrarrojo cercano)

-Mapeo geológico. -Áreas de incendios. -Áreas húmedas. -Agricultura. -Vegetación.

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Capítulo IV. Estimación de temperaturas superficiales.

-Medidas de humedad. -Corrientes marinas. 5

1.55-1.75

-Propiedades termales del suelo.

(infrarrojo medio)

-Otro mapeos térmicos u otros. -Mapeo de stress térmico en plantas.

6

-Corrientes marinas. 10.40-12.50 (infrarrojo termal)

7

8

2.08-2.35

-Propiedades termales del suelo. -Otros mapeos térmicos.

-Identificación de minerales.

(infrarrojo medio)

-Mapeo hidrotermal.

0.52-0.90

-Canal pancromático.

(pancromático)

Catastro rural, infraestructuras. -Ubicación de centros poblados, hidrología, vías.

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Capítulo IV. Estimación de temperaturas superficiales.

4.3 HERRAMIENTAS PARA ADQUISICIÓN Y PROCESAMIENTO DE IMÁGENES.

4.3.1 Glovis

USGS Global Visualization Viewer (GloVis) es un buscador en línea que se caracteriza por su fácil uso y rapidez, a demás es una herramienta para seleccionar el satélite deseado y datos aéreos. En la figura 4.1 se muestra la página de inicio de GLOVIS. Su visor permite un fácil acceso para ver imágenes que son propiedad de EROS (Earth Resources Observation and Science Center). A través de una pantalla donde está la grafica del mapa, el usuario puede navegar para ver escenas de lugares adyacentes o seleccionar una nueva área de interés. GloVIs también ofrece características adicionales, tales como límites de cobertura de nubes, límites de fecha, muestra el mapa especificado por capa, mantenimiento de la lista de escenas y el acceso a los metadatos. Una interfaz de pedidos se proporciona para los datos que tienen opciones de tratamiento disponible. Y de la misma forma existe una interfaz de transferencia que se proporciona para los conjuntos de datos que están disponibles sin costo. En este trabajo se utilizaron imágenes obtenidas a partir del Landsat 7. El archivo que contenía la imagen fue descargado de GloVis. Dentro del archivo existe una imagen para cada banda espectral y los metadatos.

43

Capítulo IV. Estimación de temperaturas superficiales.

De los metadatos se obtiene información general, como la fecha de obtención de la imagen, latitudes, longitudes, etc. Para mayor información sobre algunas aplicaciones de GLOVIS, dirigirse al ANEXO A.

Figura 4.1 Página de inicio de USGS Global Visualization Viewer.

44

Capítulo IV. Estimación de temperaturas superficiales.

4.3.2 ENVI

Introducción a ENVI ENVI, entorno para visualización imágenes (Environment for Visualizing Images), corresponde a un sistema que se encarga de procesar imágenes. Está diseñado para realizar análisis multiespectral de los datos que se obtienen a partir de la teledetección desde aviones y satélites. ENVI se caracteriza por ser un software muy novedoso y potente, su fácil uso permite presentar y analizar aquellas imágenes que son de cualquier tamaño y tipo de datos en un amplio rango de plataformas. El procesamiento de imágenes en ENVI se basa en ficheros y bandas. Se puede trabajar con ficheros de imágenes enteras, bandas individuales, o ambas. Al abrirse un fichero de entrada, se encuentra disponible cada banda espectral para todas las funciones del sistema. Al tener múltiples ficheros de entrada disponibles, se puede fácilmente seleccionar bandas de diferentes ficheros para hacer uso de ellas en forma individual o procesarlas todas juntas. Este software incluye a demás herramientas para extraer espectros, usar librerías espectrales, o para analizar imágenes de alta resolución espectral.

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Capítulo IV. Estimación de temperaturas superficiales.

Este entorno para la visualización de imágenes está completamente escrito en IDL (Interactive Data Lenguage), Lenguaje de datos Interactivo. Este potente lenguaje de programación está basado en matrices, que proporcionan

un

procesamiento

de

imágenes

integrado,

grandes

capacidades de visualización y herramientas de interfaz gráfica de usuario (GUI) fáciles de usar. Su principal aplicación en este trabajo fue que a través de este software se determinaron valores de temperatura de la misma imagen que se utilizó en Matlab, con el fin de realizar comparación en los resultados.

4.3.3 Conversión de banda térmica del Landsat 7 ETM+ a temperatura.

El sensor Enhanced thematic Mapper Plus (ETM+) adquiere datos de temperatura y convierte esta informacion a número digitales (DN) con un rango entre 0 y 255. Esta conversión de números digitales a grados kelvin es posible realizando dos pasos en ENVI. El primer paso es convertir los números digitales que posee la imagen por pixel, en radiancia. Este proceso se lleva a cabo usando el bias y los valores de ganancia especificados para cada escena con la que se esté trabajando. El segundo paso consiste en convertir la radiancia en grados Kelvin.

46

Capítulo IV. Estimación de temperaturas superficiales.

-

Convertir DN a Radiancia. El USGS da la posibilidad de obtener las imágenes satelitales junto a

un formato conocido como Metadata. Usando ENVI se puede convertir fácilmente la banda termal a radiancia. Lo primero que se debe hacer es cargar el archivo cuya terminación es “MTL.TXT”. Automáticamente ENVI abre la imagen Landsat y sus múltiples archivos. Para crear mapas de datos en radiancia desde ENVI, basta ingresar a la barra de menus y seleccionar, Basic Tools, luego se abrirá un menú en cascada y se debe Seleccionar la opción Preprocessing y seleccionar Calibration Utilities para finalmente especificar Landsat Calibration. Después de esto se abrirá una ventana de diálogo con todos los parámetros de calibración obtenidos a partir de los metadatos. Se debe seleccionar la opción Radiance y poner un nombre al nuevo archivo. Después de guardar este archivo se puede proceder a la sección de convertir la radiancia a Kelvin para generar un nuevo mapa de temperatura – brillo en grados Kelvin.

47

Capítulo IV. Estimación de temperaturas superficiales.

- Convertir Radiancia en Kelvin Una vez que los números digitales de la banda termal fueron convertidos en valores de radiancia es simplemente aplicar la función inversa de Planck para calcular los valores de temperatura. La fórmula se debe insertar en la opción Band Math, para una escena en ETM+ es:

1282.71 / alog (( 666.09 / B1) +1)

Ecuación 4.1

Una vez escrita la fórmula, se debe seleccionar la banda a la que se le aplicará la ecuación y quedará creada la imagen con sus valores en temperatura. Para más información sobre ENVI dirigirse al ANEXO B.

4.4

FUNDAMENTACIÓN

DEL

ALGORITMO

DE

PROCESAMIENTO

Este trabajo tiene como fin obtener la temperatura superficial en el glaciar Grey a partir de las radiancia térmicas proporcionadas por los satélites, que este caso será el Landsat 7 +ETM. La información de energía o radiancia emitida y reflejada por la superficie terrestre es proporcionada por satélites tales como Landsat. La resolución espacial de 30 m ha sido una de las más utilizadas.

48

Capítulo IV. Estimación de temperaturas superficiales.

El satélite Landsat 7 ETM+ dispone de imágenes que cubren la región de Magallanes en diferentes estaciones del año, con una frecuencia o resolución temporal de 16 días. En la actualidad se cuenta con satélites de diferentes resoluciones y costos: Landsat, Ikonos, Aster, Modis, entre otros, los que entregan diferente tipo de información pero toda ella aplicable y complementaria a estudios del medio ambiente. La temperatura es un resultado de energía solar, lo que indica un valor rígido. Esto es por el efecto de la latitud en el ángulo de inclinación en el que la energía llega a la superficie terrestre. Esto último indica que existen diferentes niveles de temperatura superficial, los que en la región de Magallanes, no han sido estudiados en detalle. El uso de información Landsat en variables que hacen referencia al clima constituye una aplicación en este campo. Basándose en la banda térmica (banda 6) de este satélite y utilizando algoritmos adecuados es posible estimar tanto el valor como la distribución de la temperatura en extensas áreas de la superficie glaciar. Para este trabajo se seleccionó una imagen Landsat 7 ETM+, del 14 de Octubre del 2001. Se obtuvo del USGS-Glovis. La banda térmica de este satélite, que capta la superficie terrestre en un rango térmico del espectro electromagnético por cada pixel, es capaz de discriminar la variación de temperatura superficial en un momento determinado.

49

Capítulo IV. Estimación de temperaturas superficiales.

Para el procesamiento de datos obtenidos por la banda térmica del satélite se utilizó el Software ENVI. Posteriormente se utilizó MATLAB para introducir fórmulas y cargar la imagen. Con esto se obtuvieron los valores de radiancia y temperatura, para luego georreferenciar la imagen en el mismo software y hacer una comparación de estos resultados con los obtenidos en ENVI. El proceso de cálculo de la temperatura comienza con los niveles digitales (ND) de la banda térmica, detectados por el sensor satelital. Debido a que se trata de un sensor de 8 bit, el pixel puede tomar un valor entre 0 y 255 niveles de grises. La obtención de las temperaturas de la superficie terrestre a partir de la banda térmica del Landsat 7, conlleva la aplicación de una serie de fórmulas para la calibración adecuada de cada tipo de imagen, dependiendo del sensor. 4.4.1Algoritmos La radiancia del sensor I λ puede ser expresada como (Schumugge et al., 1998): Iλ = t λ Iλ (0) + dλ

Ecuación 4.2

Donde t λ es la transmitancia atmosférica, d λ es la radiancia espectral adicionada por la atmósfera, y I λ (0) es la radiancia en la superficie. La temperatura equivalente a la radiación de un cuerpo negro (misma radiación) es llamada temperatura de brillo (TB).

50

Capítulo IV. Estimación de temperaturas superficiales.

El dato de radiancia puede se convertido en el equivalente de temperatura de brillo. Sin embargo, mas generalmente la radiancia en la superficie puede ser expresada en términos de temperatura superficial como: Iλ (0) = IλB (TB ) = ελ IλB (TS ) + (1 − ελ )Idλ

Ecuación 4.3

Donde ελ es la emisividad superficial (que depende de la longitud de

onda), Idλ es la radiación de la atmósfera en dirección hacia abajo, y IλB

(T S ) es la radiancia espectral de un cuerpo negro a temperatura superficial TS. Usando el modelo de transferencia radiativa atmosférica MODTRAN (Berk et al., 1998), t λ , d λ y I dλ pueden ser obtenidos usando la función de

respuesta del Landsat y los datos de radiosondas previamente presentes (valores por defecto en el modelo) como se muestra en la tabla 4.2.

Fecha 23 deJunio, 2002 1 de Julio, 2002 8 de Julio, 2002 16 de Julio, 2002 17 de julio, 2002

Satelite Landsat 5 Landsat 7 Landsat 7 Landsat 5 Landsat 7

tλ

0.6925 0.6127 0.5371 0.6594

dλ (Wm sr −1 µm−1 2.5082 3.1751 3.6956 2.7202

Idλ (Wm sr −1 µm−1 ) 3.9513 4.8249 5.7257 4.1743

0.5636

3.5038

5.2668

−2

−2

Tabla 4.2 Correción armosférica para Landsat 5 y 7 (bandas termales).

51

Capítulo IV. Estimación de temperaturas superficiales.

Basándose en la función de Planck, la relación entre la radiancia de una única longitud de onda y

la temperatura de un cuerpo negro

(temperatura de brillo) es:

Tj =

C2

λj Ln�C1 /Ij λ5j π+1�

Ecuación 4.4

Donde C1 y C2 valen 3.74151x10 16 (W m2) y 0.0143879 (m K), respectivamente, e Ij es la radiancia en la longitud de onda λj . La relación entre la radiancia en la banda y la temperatura de brillo es compleja. Para

una banda de frecuencia dada, que W(λ) representa la función de respuesta ∞

y ∫0 W(λ′)dλ = 1, luego la radiancia de una banda de frecuencia puede ser

expresada como:

∞

IW = ∫0 W(λ′)Iλ [T]dλ ′

Ecuación 4.5

Existen varias alternativas para realizar esta transformación, donde una es la aproximación de la relación de la longitud de onda con una función similar a la función de Planck monocromática Esto es, la relación entre la temperatura superficial y la banda integral IλB puede ser aproximada como:

52

Capítulo IV. Estimación de temperaturas superficiales.

TS =

K2

Ecuación 4.6

ln�K1 /IB λ +1�

Donde TS es la temperatura superficial en Kelvin, IλB integrada en el

ancho de banda,

K1 y K 2 son constantes de calibración elegidas para

optimizar la aproximación para la banda de paso del sensor.

Por lo tanto, si la emisividad es conocida, la temperatura de superficie puede calcularse a partir de las ecuaciones (4.1), (4.2) y (4.5). Si se asume que la emisividad es 1, entonces Iλ (0) es igual a IλB (TS ) y la temperatura de

superficie obtenida a partir de las mismas ecuaciones es la misma que la temperatura de brillo. Sin embargo, cuando la emisividad es menor que 1, la

radiación que emite la superficie es reducida por la emisividad

e

incrementada por la radiancia reflejada del cielo. Estos deben ser estimados para aproximar la actual temperatura superficial.

53

Capítulo IV. Estimación de temperaturas superficiales.

4.5 PROCESAMIENTO DE IMÁGENES EN AMBIENTE MATLAB

MATLAB (Matrix Laboratory) es un conocido software matemático que ofrece un entorno de desarrollo integrado (IDE), tiene su propio lenguaje de programación (lenguaje M). Para este trabajo fue de mucha utilidad las prestaciones básicas que entrega MATLAB, como la manipulación de matrices, la representación de datos y funciones, la implementación de algoritmos y otras como la creación de interfases de usuario y la programación con programas en otros lenguajes. Este es un software muy utilizado en universidades para investigación y desarrollo. El tratamiento de imágenes satelitales en MATLAB es sencillo, basta con guardar la imagen que corresponde a la banda térmica en la carpeta principal de MATLAB y luego con el comando imread se carga la imagen en el workspace. Trabajar con MATLAB permite principalmente que se desarrollen algoritmos que se pueden variar de acuerdo a los requisitos de cada persona o a sus necesidades. También se pueden desarrollar algoritmos en donde se puede trabajar con más de una banda, al tratarse una imagen como matriz, simplemente se suman, restan, multiplican, derivan, etc., la cantidad de bandas que sea necesario. Lo algoritmos creados para el análisis de las temperaturas superficiales en la imagen satelital Landsat 7 se pueden ver en el ANEXO D.

54

Capítulo IV. Estimación de temperaturas superficiales.

4.5.1 Cálculo de Temperatura superficial a partir de datos Landsat. Como en este trabajo se utilizaron ecuaciones que se basan en constantes, bastó con reemplazar los valores de las ecuaciones mencionadas anteriormente para obtener resultados satisfactorios. La radiancia espectral emitida se calculó mediante la fórmula mostrada a continuación (Tomada de Wukelic et al. 1989 y Xian & Grane 2006). L = (G ∗ ND) + B

Ecuación 4.7

Donde, L es el valor de pixel expresado en radiancia, ND es el nivel digital del pixel, G es el factor de ganancia y B es el valor de bias. Para Landsat la ganancia G toma el valor 0.05518 y B corresponde a 1.2378, el valor ND va a ir variando de acuerdo al valor del pixel, para obtener así el valor que se necesita reemplazar en la siguiente ecuación que corresponde a la radiancia. La temperatura de brillo, emitida por la superficie terrestre, se obtiene transformando la banda 6 del infrarrojo térmico mediante la inversión de la ecuación de Planck (Wukelic et al. 1989, Riaño et al. 2000, Xian & Crane 2006) que describe la emisión de energía de un cuerpo en función de la longitud de onda a una temperatura dada. Las constantes utilizadas son específicas para Lansat 7 ETM+. T=

K1 K2 ln� +1� L

Ecuación 4.8

55

Capítulo IV. Estimación de temperaturas superficiales.

Donde, T es la temperatura de brillo superficial, L es el valor de radiancia, K1 y K2 son las constantes correspondientes a Landsar 7. Para Landsat 7 ETM+, k1 = 666.09 Wm-2 sr-1 µm-1 y k2 = 1282.71 . (http://ltpwww.gsfc.nasa.gov/IAS/handbook/handbook_toc. html). Con la finalidad de comprobar los cálculos obtenidos a partir de Lansat 7 ETM+ se compararon los datos obtenidos tanto de Matlab como de ENVI. Para esto se utilizarán las imágenes georeferenciadas y se tomaran puntos específicos de pixel. Los Algoritmos creados en Matlab se pueden encontrar en el ANEXO D.

4.6 RESULTADOS Los resultados que se mostrarán a continuación serán las imágenes procesadas tanto en ENVI como en Matlab. La imagen que se obtuvo en ENVI y una vez procesada muestra los valores de temperatura en una cierta ubicación. En Matlab se muestra la imagen que se obtuvo después de ser procesada y habérsele aplicado los algoritmos correspondientes para determinar la temperatura superficial. Finalmente se muestra una tabla de resumen donde se comparan los valores obtenidos en ambos casos.

56

Capítulo IV. Estimación de temperaturas superficiales.

Figura 4.2 Imagen RGB obtenida del Landsat 7 a partir de las bandas 1, 2 y 3.

Figura 4.3. Imagen Termal obtenida del Landsat 7 (banda 61), imagen procesa en ENVI. 57

Capítulo IV. Estimación de temperaturas superficiales.

La imagen de la figura 4.3 fue analizada en ENVI. Al posar el puntero del mouse sobre cualquier área de la imagen se puede ver a través de

“pixel locator”, la temperatura que hay en la superficie en grados

Kelvin.

Figura 4.4 Imagen procesada en MATLAB que se obtuvo después de aplicar los algoritmos de Temperatura.

Para ver que los resultados obtenidos fueron muy cercanos entre un programa y otro, se presenta en la tabla 4.3 los valores de temperaturas en lugares específicos.

58

Capítulo IV. Estimación de temperaturas superficiales.

Lugar Agua Tierra Zona de acumulación (nieve) Orilla del Glaciar Grey

Posición (UTM) T° en ENVI (K)

T° en matlab (K)

694905.00 S 4492555.00 E 679185.00 S 4469935.00E 619995.00 S 4377085.00 E

278.691010

279

293.636200

292

261.900208

264

623535.00 S 4360025.00E

271.304779

273

Tabla 4.3. Resultados obtenidos y comparaciones de temperaturas a partir de los dos Software.

59

CAPÍTULO V CONCLUSIONES GENERALES

Capítulo V. Conclusiones Generales.

CONCLUSIONES

- Finalmente se logró obtener la temperatura superficial para el sector del Glaciar Grey, Glaciar Tyndall y sus alrededores. Estos valores se obtuvieron tanto en ENVI como en Matlab.

- Basado en la información de la banda térmica Landsat 7 ETM+ fue posible realizar estimaciones de temperatura superficial para una fecha determinada.

- Basado en el resultado de este trabajo se puede recomendar la aplicación de métodos para obtención de temperatura superficial en zonas apartadas, donde no existen estaciones meteorológicas.

- La herramienta desarrollada puede ser incorporada en estudios multidisciplinarios donde uno de los parámetros requeridos sea la temperatura superficial.

- La disponibilidad de información desde el Satélite Landsat 7 permite proyectar futuros estudios.

- Se debe tener en cuenta, que todos aquellos satélites que posean una o más bandas térmicas, son potenciales instrumentos de monitoreo climático. 61

Capítulo V. Conclusiones Generales.

- Las imágenes satelitales obtenidas del sensor Landsat 7, son una buena herramienta para realizar proyectos que hagan referencia al medio ambiente. Gracias al libre acceso a estas imágenes es fundamental conocer sus aplicaciones y la potencialidad de los productos ofrecidos por la NASA.

- Está claro que la tecnología y la ciencia van progresando al pasar el tiempo. Las imágenes satelitales se pueden entender como una solución ante la dificultad de adquirir datos in situ que se usen para la elaboración de modelos de lugares que son inaccesibles.

-

Para nuestro país, resulta de suma importancia y gran utilidad explorar nuevas tecnologías que permitan el desarrollo académico a costos razonables. Esto con el fin de mejorar y racionalizar el manejo de los recursos ambientales.

62

BIBLIOGRAFÍA

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[3] Guía Didáctica de Teledetección y Medio Ambiente, Javier Martines Vega y M. Pilar Martín Isabel (Eds.).

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[9] Landsat, Alvaro Garcia Varela.

[10] http://www.nasa.gov/about/highlights/En_Espanol.html.

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ANEXO A USGS-Global Visualization Viewer

Página de inicio El sitio web Glovis requiere el uso de JavaScript. Es por esto que para ver la página de inicio de debe configurar el navegador. La mayoría de las funciones están disponibles solo cuando se usa el plug-in Java. La aplicación de visualización tiene cuatro componentes básicos: la barra de menús, los controles en el lado izquierdo de la pantalla principal, la mayoría de las imágenes que aparecen en el lado derecho y la barra de estado en la parte inferior del visor. Como se ordenan los componentes básicos se muestra en la figura 1.

Figura 1. Página Principal del USGS-Global Visualization Viewer.

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Mientras se leen los datos desde el servidor, varios indicadores se muestran en el área de la imagen de la pantalla. El usuario puede interactuar con el applet, mientras se leen los datos desde el servidor, aunque algunas funciones pueden ser desactivadas temporalmente.

Barra de Menús El explorador para visualizar imágenes tiene una barra de menú en la parte superior para proporcionar una interfaz para muchas de las opciones disponibles en el visor.

Menú Colección (Collection) Permite seleccionar el conjunto de datos con los que se desea trabajar. El menú está organizado en un menú cascada para cada uno de las diferentes colecciones de datos. Mientras que las herramientas permite al usuario buscar múltiples bases de datos, la lista de escenas para conjunto de datos se mantiene separado.

Menú de Resolución (Resolution) Este menú permite determinar la resolución que aparece en el área de visualización de la imagen. Las resoluciones disponibles son:

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EO-1 ALI, Landsat 7 ETM +, L7 ETM + SLC-off, Landsat TM 4-5, 1-5 Landsat MSS, L4-7 combinada, MRLC 2001 Radianc, MRLC 2001 reflectancia, Tri-Decadal ETM +, y ETM + PanSharp: •

1000 metros en formato GIF

•

240 metros en formato JPEG

Hyperion EO-1 •

1000 metros en formato GIF

•

120 metros en formato JPEG

NALC Triplica, Tri-Decadal del TM, y Tri-Decadal del SMS 5.1 •

1000 metros en formato GIF

•

480 metros en formato JPEG

ETM + Pan Mosaicos •

1000 metros en formato GIF

•

285 metros en formato JPEG

TM Mosaicos •

2000 metros en formato GIF

•

700 metros en formato JPEG

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ASTER •

1000 metros en formato GIF

•

400 metros en formato GIF

•

90 metros en formato JPEG

MODIS •

10.000 metros en formato JPEG

•

5000 metros en formato JPEG

SMF •

Tenga en cuenta que los datos SMF es en la proyección geográfica, tamaño de píxel lo son en grados.

•

formato de bajo (0,00045 grados) en formato JPEG

•

formato de alta (0,00015 grados) en formato JPEG

NHAP •

Tenga en cuenta que los datos NHAP está en la proyección geográfica, tamaño de píxel lo son en grados.

•

formato de bajo (0,00090 grados) en formato JPEG

•

formato de alta (0,00030 grados) en formato JPEG

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Menú capas del mapa (Map Layer) Este menú permite seleccionar las capas de los mapas disponibles que son: los límites de administración, colección actual, fronteras nacionales, una flecha hacia el norte, un punto de interés definido por el usuario, puntos de la zona protegida, carreteras, ríos, costas, ciudades. La superposición de escenas esta activado por defecto. Las opciones del menú map layers son las siguientes: - Todas las capas del mapa, - Resultado de la búsqueda de direcciones, - Limites de Administración (país, estado y otras barreras culturales), - Ciudades, - Colección de cuadricula, - Limites de campo, - Flecha del norte, - Punto de interés, - Puntos de área protegida, - Polígonos de áreas protegidas, - Ferrocarriles, - Carreteras, - Plantillas de una lista de escenas, - Agua,

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- Numero de capas, - Modificar colores, - Búsqueda de direcciones (ingresar dirección, resultados de la búsqueda, búsqueda, exhibición, borrar, cierre), - Establecer puntos de interés (latitud, longitud, ajuste, borrar, cierre), - Configurar la lista con las escenas de plantillas, - Leer archivos, - Mostrar atributos del archivo.

Figura 2. Aplicaciones del ENVI.

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Menú Herramientas Este menú ofrece las siguientes herramientas: - Seleccionar la fecha por defecto. - Escenas ocultas. - Grafico NDVI. - Imprimir. - Actualizar. - Lista de escenas. - Limites de búsqueda. - Modo de barrido. - Herramientas de sugerencia.

Menu Archivo (File) Este menú contiene opciones para guardar archivos en el disco duro y para cargar datos en la aplicación Glovis desde el disco duro. Este menú está disponible cuando se utiliza el plugin Java y el applet Glovis.

Menú ayuda (Help) Proporciona la selección de diferentes fuentes para obtener ayuda.

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Controles de Navegación Al lado izquierdo del visor de imágenes hay diversos controles de navegación como: - Mapa de localización, donde se indica la ubicación del lugar de donde se quiere obtener una imagen, esto se ubica con un pequeño icono en forma de diamante. - Path/Row. - Lat/Long. - Nubosidad. - Información de la escena. - Selección de la fecha.

Para mayor información visitar: http://glovis.usgs.gov/ImgViewerHelp.shtml

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ANEXO B ENVI

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ENVI Uso de ENVI Como se dijo anteriormente, ENVI usa interfaz gráfica de usuario, lo que nos proporciona acceso a realizar funciones de procesamiento de imágenes solo con hacer uso del mouse. Facilitando la selección de las opciones del menú. Al cargar ENVI, aparece el menú principal, en forma de una barra de botones. Al pulsar el botón izquierdo del mouse sobre alguno de los botones del menú principal aparece un menú de opciones, el cual puede contener sub-menús con más funciones. Generalmente una vez elegida la opción de estos menús se pueden visualizar cajas de dialogo para introducir información o parámetros relacionados con la función de ENVI seleccionada.

Figura 1. Menú principal de ENVI.

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2.3 Formatos de Fichero que posee ENVI ENVI hace uso de un formato de datos raster generalizado, el cual consiste en un fichero binario plano y un pequeño fichero ASCII asociado. Este formato de fichero le permite a ENVI usar casi cualquier fichero de imagen, para el caso en que la imagen contenga su información de cabecera insertada en el propio fichero de datos, también son incluidos. Con referencia a los datos raster generalizados, estos se almacenan como una serie binaria de bytes en formatos Band Sequential (BSQ), Ban Interleaved by Pixel (BIP), o Ban Interleaves by line (BIL). BSQ, corresponde al formato más simple, en donde cada línea de datos es seguida inmediatamente por la siguiente línea de la misma banda espectral. Este es el formato óptimo para realizar acceso espacial (x,y) a cualquier parte de una simple banda espectral. Luego se tiene el formato BIP, el cual proporciona bastantes prestaciones, las que son óptimas para el procesamiento espectral. Finamente se tiene el formato BIL el cual nos estrega prestaciones intermedias entre el procesamiento espectral y el procesamiento espacial. Este formato es recomendado para mayor parte de las tareas que se realizan en el procesamiento de imágenes de ENVI. Este software se caracteriza por soportar una gran variedad de tipos de datos: byte, enteros (integer), entero largo (long integer), punto flotante (floating-point), punto flotante de doble precisión (double-precision floating-point), y complejo (complex). 76

2.4 Características de las ventanas y pantallas ENVI.

Al trabajar con ENVI, las ventanas y cajas de dialogo que aparecen en pantalla permiten hacer uso de las imágenes, para ser manipuladas y analizadas. Existen tres ventanas principales para visualizar la imagen, lo cual permite moverse dentro de ella y poder ampliar las zonas que sean necesarias. A este grupo de ventanas se le denomina colectivamente como Grupo de Visualización.

2.4.1 Ventana principal.

En esta ventana se puede visualizar toda la imagen a la máxima resolución.

Figura 2. Ventana principal de ENVI, con una imagen del Glaciar Grey. 77

2.4.2 Ventana de Scroll.

Dependiendo del tamaño de la imagen, a veces esta no cabe en la ventana principal, por lo que aparece la Ventana de Scroll. Aquí se puede visualizar una copia de la imagen pero reducida de la imagen completa, dándose la oportunidad de seleccionar el área que se quiere y esta se vizuliza en la ventana principal.

Figura 3. Ventana de Scroll de ENVI.

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2.4.3 Ventana de Zoom.

En esta ventana se puede visualizar una versión aumentada del área seleccionada en la Ventana principal.

Figura 4. Ventana Zoom de ENVI.

Una vez cargada la imagen, estas ventanas se pueden mantener abiertas al mismo tiempo en la pantalla o se puede seleccionar la ventana que se requiera usar, además se puede trabajar al mismo tiempo con otras ventanas, como las de trazados dispersos (scatter plots) o las de perfiles espectrales de la imagen que se esté utilizando.

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2.5 Menús dentro de las ventanas ENVI.

Muchas de las ventanas que existen en ENVI tienen integrado sus propios menús, lo cual le permite el acceso de designadas y apropiadas para esa venta. Se sabe que al cargar una imagen, son tres las ventanas que se abren, nombradas anteriormente. Para no recargar la pantalla de ventanas, estos menús no aparecen automáticamente, deben ser invocados pulsando el botón derecho del mouse mientras este se encuentre dentro de la ventana. Una vez hecho el click, el menú aparece en pantalla y se podrá seleccionar las opciones requeridas, de la misma manera que se hace con el menú principal de ENVI. Para que los menús específicos desaparezcan de la pantalla, se debe pulsar el botón derecho del mouse y no pulsando sobre el botón “close”, ya que se cerrara la ventana por completo.

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Figura 5. Opción Pixel Locator (Localizador de Pixeles), seleccionada de la ventana principal.

2.6 Listado de bandas disponibles en ENVI.

El acceso a ficheros de imágenes y a las bandas espectrales individuales sobre esos ficheros es proporcionado por ENVI. Available Bands List, corresponde a la lista de bandas disponibles, las cuales se presentan en un cuadro de diálogo especial, el cual contiene todas las bandas disponibles de los ficheros abiertos. Esta lista se usa para cargar imágenes tanto a color como en escala de grises.

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Figura 6. Lista de bandas disponibles.

(a)

(b)

Figura 7. (a) Imagen cargada a color. (b) Imagen cargada en escala de grises.

2.7 Funciones Básicas de ENVI. A continuación se presentaran las funciones básicas de ENVI para el procesamiento de imágenes.

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2.7.1 Iniciar ENVI. Como en este caso se usó Windows, lo único que se debe hacer para arrancar ENVI es hacer doble click sobre el icono de ENVI. Luego de un momento se carga el software, apareciendo luego el menú principal de ENVI. Para Macintosh se usa el mismo proceso.

2.7.2 Abrir una imagen. Para cargar una imagen es muy sencillo el proceso a seguir. Lo primero es tener en alguna parte del PC imágenes para ser vistas en ENVI, esto quiere decir que deben ser formato .hdf. Luego, una vez abierto el software, se busca en el menú principal la opción “File”, se hace click sobre ella y se desplegara un menú en cascada donde se encontrara la opción “Open Image File”. Al elegir esa opción se abrirá una ventana donde se deberá buscar la imagen que se quiere cargar.

2.7.3 Seleccionar una Banda. Una vez seleccionada la imagen, lo primero que se abre es el listado de bandas disponibles. Esta lista le permite escoger bandas espectrales para visualizarlas o procesarlas. Se puede observar que está la opción para visualizar la imagen tanto en escalada de grises como en color RGB.

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Si se elige la opción RGB, simplemente debes hacer click sobre las bandas que quieres seleccionar para generar la imagen RGB, de acuerdo a la necesidad de cada persona.

2.7.4 Moverse por la imagen. Una vez cargada la imagen, aparecerá una ventana de imagen ENVI en la pantalla. Esta ventana se divide en; la Ventana Principal, la venta de Scroll y la ventana de Zoom. Estas ventanas están íntimamente ligadas. Al realizarse un cambio en alguna de esas ventanas, automáticamente se actualiza el estado en la restantes. Algunas de las actividades que se pueden realizar para comprender como se trabaja son:

• Arrastrar el recuadro que corresponde al zoom: dentro de la ventana principal se puede apreciar un pequeño recuadro rojo, el cual indica el área visualizada que se puede ver en la ventana de Zoom. Este recuadro puede ser arrastrado, de un lugar a otro a través de la ventana principal, con el botón izquierdo del mouse, manteniendo pulsado sobre lo que se quiera ver y desplazándolo hacia la posición de interés. La ventana zoom se actualiza automáticamente para mostrar la nueva área.

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• Acercar y alejar: Para esta actividad se debe situar el cursor del mouse en la ventana zoom, aquí se podrán apreciar tres recuadros más en la parte inferior izquierda de la ventana donde hay un signo más, el cual al ir siendo presionado se va acercando a la imagen, así, si el signo menos es presionado, se comienza a alejar de la imagen. Se puede ver que una cifra va cambiando en la esquina inferior de la ventana el cual indica el factor del zoom.

Figura 8. Ventana del Zoom.

• Desplazar por la imagen: En la ventana de Scroll se puede ver un recuadro rojo el cual indica que porción de la imagen está siendo visualizada en la ventana principal. Para poder irse desplazando a través de la imagen se debe posicionar el puntero del mouse sobre el recuadro rojo que aparece en la ventana e irse moviendo hacia la parte de la imagen que se quiera ver. La ventana principal y la de zoom se actualizarán automáticamente.

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• Redimensionar las ventanas: el tamaño de las ventanas pueden ser modificados de la misma forma en que se haría en otras aplicaciones. El detalle está en que la ventana principal no puede ser mayor que el tamaño de la imagen que se visualiza. Claramente si la ventana principal es lo suficientemente grande para poder cubrir la imagen completa, entonces la ventana scroll no es necesaria y desaparece de la pantalla en forma automática.

2.7.5 Localización del cursor. En cualquiera de las ventanas ya nombradas, basta hacer click con el botón derecho del mouse sobre la imagen y seleccionar la opción “Localización/valor del cursor” (Cursor Local/Value) que se encuentra en el menú en cascada que se despliega una vez hecho el click. Para cerrar la ventana basta pulsar la opción cerrar para eliminar la ventana.

Figura 9. Cuadro indicador de la localización del cursor.

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2.7.6 Hacer visible los perfiles de la imagen. Para hacer uso de esta opción se debe buscar en la barra de herramientas de la ventana principal la opción “tools”, una vez ubicada se hace click sobre ésta opción y se desplegara un menú en cascada en donde se debe ubicar la opción “profiles”. Nuevamente se desplegará un menú donde se podrá encontrar y seleccionar el “Perfil X” (X Profile) para visualizar la ventana con los valores de los datos y el número de muestras para una línea seleccionada en la imagen. El mismo proceso se realiza para seleccionar el “perfil Y”, el cual se usa para visualizar un dibujo de valores de datos y numero de línea. Finalmente para el “perfil Z” se usa el mismo proceso y este se encarga de mostrar un trazado espectral. Lo que se puede hacer finalmente es posicionar las ventanas para ver las tres ventanas a la vez.

2.7.7 Estiramiento del contraste. Para hacer uso de esta opción, se debe buscar en la barra de herramientas de la ventana principal la opción “Mejorar” (Enhance), una vez ubicada y marcada la opción, se desplegara un menú cascada en donde se encontrara la opción “Estiramiento Interactivo” (Interactive Stretching). Al hacer click sobre esta opción se desplegara una cuadro de diálogo que permite cambiar el contraste de la imagen que se está visualizando.

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Se verán dos histogramas que visualizan el rango de color o escala de grises de la imagen de entrada (izquierda) y el de la imagen de salida después de aplicar el estiramiento (derecha). Inicialmente ambos histogramas son idénticos, tanto el de entrada como el de salida.

Figura 10. Cuadro de Estiramiento de Contraste Interactivo. Luego, se debe buscar en el menú de la ventana recién abierta la opción “Tipo tramo” (Stretch_Type), el cual desplegara un menú de opciones de estiramiento de contraste. A continuación se indican algunos de los métodos que se pueden usar: • Ecualizar: Al seleccionar esta opción se ve inmediatamente el cambio en el histograma de salida. Al pulsar la opción “Aplicar” (Apply), se podrá ver el estrechamiento mostrado en la imagen.

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• Gausiano: al seleccionar la opción “Gaussian” del menú, se podrá controlar el número de desviaciones estándar mostradas en el histograma de salida. Se aplicará el estiramiento y se verá el cambio en la imagen. • Lineal: Al cargarce imágenes en ENVI, se les aplica por defecto una estiramiento lineal del 2% de contraste. Al seleccionar la opción “Lineal” (Linear), se pueden apreciar dos líneas punteadas en la ventana izquierda, histograma de entrada. Estas líneas se pueden trasladar para controlar el estiramiento. Colocando el cursor sobre las líneas y manteniendo pulsado se pueden arrastrar de un lado a otro.

Las cifras en la parte inferior, indican el valor del dato actual, el número de pixeles, el porcentaje de pixeles que tienen ese valor y el porcentaje acumulado de pixeles. También se puede posicionar las barras introduciendo valores mínimos y máximos.

2.7.8 Aplicación de filtros. Es posible aplicar diferentes filtros a una imagen gracias a ENVI, estos filtros pueden ser definidos por el usuario o simplemente usar lo ya predefinidos.

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Para seleccionar un filtro, este se debe extraer del menú en cascada de filtro desde el menú principal de ENVI, seleccionar “Convoluciones”, para luego seleccionar una pasa alto, enseguida aparecerá el cuadro de diálogo del fichero de entrada de convolucion. Finalmente se selecciona una banda de entrada, se define el tamaño y se edita el Kernel.

2.7.9 Ligar dos ventanas en imagen. Para ligar dos imágenes que se tienen en pantalla, se debe seleccionar “Ligar pantallas” (link displays) en el menú de cascada “Ligar” (Link) del menú de funciones de cualquiera de las dos ventanas de imagen. Existen también

la

superposición

dinámica

la

cual

permite

superponer

dinámicamente partes de una imagen sobre la imagen ligada a ella, esta opción se activa automáticamente cuando se ligan dos imágenes.

2.7.10 Seleccionar regiones de interés. ENVI permite definir “Regiones de interés” (ROIs) en sus imágenes. Las ROIs se emplean normalmente para extraer estadísticas para clasificaciones, enmascaramientos y otras operaciones.

Seleccione "Definir Región de Interés" (Define Region of Interest) del menú "Region of Interest" en el Basic Tools del menú principal. Aparecerá el cuadro de diálogo de definición de ROIs.

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Para definir una nueva ROI, seleccione "Nueva Región" (New Region) del menú de funciones en la parte inferior del diálogo. Puede introducir el nombre de la nueva región en la parte superior, y seleccionar el color y el patrón de rellenado usando sendos menús de botones. Ahora dibuje un polígono que enmarque la región de interés. Pulse el botón izquierdo en la ventana principal para establecer el primer punto del polígono ROI. Seleccione más puntos de borde pulsando repetidas veces el botón izquierdo y cierre el polígono pulsando el botón derecho. El botón central borrará el punto más reciente, o (si ha cerrado el polígono) el polígono entero. Las ROIs pueden también ser definidas en la ventana de zoom. Cuando haya terminado de definir una ROI, la misma es mostrada en la lista "Regiones Disponibles" (Available Regions), con el nombre, color de la región, y número de píxeles incluidos. 2.7.11 Salvando su Imagen en Formato de Imagen ENVI Para salvar su trabajo en el formato nativo de ENVI, seleccione "Fichero Imagen" (Image File) en el menú de cascada "Salida" (Output) del menú de funciones de la Ventana Principal. Aparecerá el diálogo de parámetros de Imagen a Fichero. Seleccione salida color o blanco y negro, opciones gráficas (incluyendo anotaciones y rejillas), y bordes.

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Si ha mantenido su imagen con anotaciones y rejillas en pantalla, estas opciones serán listadas automáticamente en las opciones gráficas. También puede seleccionar otro fichero de anotaciones para fundirlo con la imagen. Como es usual, se puede elegir entre salida a memoria o a fichero. Pulsando "Aceptar" (Accept) se salvará la imagen. 2.7.12 Terminar una sesión ENVI. Cuando haya terminado su sesión ENVI, pulse "Quita (Quit) en el menú principal de ENVI; y escriba exit en la línea de comandos de IDL. Si usa ENVI RT, no tendrá que realizar este último paso; quitando ENVI le llevará de vuelta al sistema operativo.

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ANEXO C MATLAB

El código creado para determinar la temperatura superficial de una imagen Landsat 7 se muestra en la figura 1. >clear all >clc >image1=double(imread('L71231095_09520011014_B61.tif')); >suma=0; >i=1;j=1; >[FIL COL]=size(image1); >for i=1:FIL for j=1:COL L(i,j)=(0.05518*image1(i,j))+1.2378; T(i,j)=(1282.71/(log((666.09/L(i,j))+1))); end >end >Tnew1=uint16(T); >x=486585:30:(486585+(60*7521)); >y=5458485:30:(4357600+(60*8291)); >figure >imshow(Tnew1,'Xdata',x,'YData',y) >imwrite(Tnew1,'greyt.tif') >impixelinfo

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