Teleobservacion

7/30/2019 Teleobservacion

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- Publicaciones Didcticas CONAE

INDICEINDICEINDICEINDICEINDICEpgina

Prlogo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

Definicin de Teleobservacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

La Radiacin Electromagntica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

Interacciones de la Energa con la Atmsfera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

Interacciones de la Energa con la Superficie de la Tierra . . . . . . . . . . . . . . . . 9

Sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

Sistema Satelital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

Satlites Metereolgicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

Satlites NOAA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 15

Glosario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

Bibliografa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

Publicaciones Didcticas de la

COMISION NACIONAL DE ACTIVIDADES ESPACIALES

CONOCIMIENTOS BASICOS SOBRE TELEOBSERVACION. SATELITES NOAA

Cuadernillo Nro.1

Septiembre 2005.- Segunda Edicin, actualizada

RECOPILACION Y EDICIONDra. Mnica RabolliLic. Andrea Gulich

Comisin Nacional de Actividades EspacialesAv. Paseo Coln 751 (1063)Buenos Aires - ArgentinaTel: 4331 0074

www.conae.gov.ar

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Publicaciones Didcticas CONAE -

Conocimientos Bsicos sobre

Teleobservacin. Satlites NOAA

PrologoPrologoPrologoPrologoPrologo

Para conocer los beneficios de la actividad espacial, nada mejor que asomarse a ese fantsticomundo a travs de uno de sus protagonistas: los satlites.

Estos aparatos pueden tener formas exteriores muy diferentes y ser utilizados con diversosfines, como en telecomunicaciones, observacin de la Tierra o en la realizacin de experienciascientficas. Disear y fabricar un satlite no es tarea simple o liviana. Se requiere la organizacinde programas complejos, en los que normalmente intervienen varios pases.

Y cada proyecto ocupa a hombres y mujeres de especialidades muy diversas, que ananesfuerzos para aplicar sus conocimientos, desarrollar nuevas tecnologas y cumplir con los requisitosde costos, plazos y calidad que la empresa espacial impone.

A diario nos beneficiamos con el uso de la tecnologa espacial. Transmisiones de TV,comunicaciones telefnicas y pronsticos metereolgicos ya forman parte de nuestra vida. Observarla Tierra para conocerla y hacer una mejor gestin de los recursos es el Espacio de todos los das.Sin duda, el espacio es un motor de desarrollo de nuestra sociedad y de nuestro modo de pensamiento.Por ello desde la Comisin Nacional de Actividades Espaciales queremos dar amplia difusin de lainformacin que se obtiene desde el espacio y de los medios que se utilizan para conseguirla.

Esta publicacin inaugura entonces la produccin de material didctico acerca de lascaractersticas y usos de los satlites. La publicacin Conocimientos Bsicos sobreTeleobservacin est dirigida a los estudiantes de todo el pas. Ellos son los futuros usuarios de lainformacin espacial y junto a los docentes, tambin tienen en sus manos la posibilidad de darcontinuidad a la actividad espacial argentina, aprovechando los productos que la CONAE genera.

En esta primera etapa se abordan las caractersticas de los satlites NOAA, se dan ejemplosde imgenes y sus aplicaciones. La explicacin de su funcionamiento es la clave para descubrircmo se obtienen las imgenes satelitales y cules son los principios fsicos que las originan. Cmo

se genera la radiacin electromagntica ? Qu es la radiacin ? Cmo interacta con la atmsferay con la materia ? Cmo se obtienen los datos ? Cmo se los interpreta ?. stas y muchas otraspreguntas sern respondidas en las pginas que siguen.

Bienvenidos al espacio.

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La palabra teleobservacin puede parecer algoextraa cuando no se est familiarizado con el tema,pero veremos que, en realidad, est asociada a nues-tra experiencia cotidiana. Cuando hablamos deteleobservacin estamos refirindonos a la percep-cin de un objeto a distancia.

Al leer estas palabras, usted est empleando lateleobservacin. Sus ojos actan como sensores que

responden a la luz reflejada sobre el papel. Los datosque sus ojos adquieren son impulsos correspondientesa la luz reflejada por las reas claras y oscuras de estapgina. Estos datos son analizados o interpretados ensu computadora mental para permitirle a usted expli-car las reas oscuras sobre el papel como un conjuntode letras que forman palabras. Ms all de esto, ustedreconoce que las palabras forman oraciones y ustedinterpreta la informacin que estas oraciones contie-nen.

En muchos aspectos, la teleobservacin se puedeconsiderar como un proceso de lectura. Utilizando dis-tintos sensores, en forma remota se obtienen datos

ConocimientosBsicos sobre

Teleobservacin

que se pueden analizar para obtener informacin deobjetos, reas o fenmenos que se quieren investigar.Los datos obtenidos mediante un sensor remoto pue-den tener caractersticas diferentes, es decir, puedenser variaciones de la distribucin de fuerzas, distribu-cin de ondas acsticas o distribucin de energa elec-tromagntica. Por ejemplo, el magnetmetro mide va-riaciones de campo magntico; el sonar registra va-riaciones en la distribucin de ondas sonoras y, por

otra parte, nuestros ojos adquieren datos de variacinde distribucin de energa electromagntica.

De acuerdo a lo anterior, podemos definir lateleobservacin como el conjunto de tcnicas quepermite obtener informacin acerca de un objeto,rea o fenmeno a travs del anlisis de datos ad-quiridos por un dispositivo que no est en con-

tacto con el objeto, rea o fenmeno bajo estu-

dio.

Los sensores que operan desde los satlites detec-tan variaciones de la radiacin electromagntica emi-tida o reflejada por la superficie terrestre, registrando

Seguramente usted ha visto antes una imagen como la anterior. Se trata de una imagen obtenida por un

satlite meteorolgico, el NOAA-12, con un instrumento denominado Radimetro Avanzado de Muy Alta

Resolucin (Advanced VeryHighResolutionRadiometer ,AVHRR).

Veremos ahora detenidamente las imgenes NOAA, para ello necesitamos definir algunos conceptos bsi-

cos que nos ayudarn a entender cmo se obtiene una imagen satelital.

Definicin de TDefinicin de TDefinicin de TDefinicin de TDefinicin de Teleobsereleobsereleobsereleobsereleobser vacin:vacin:vacin:vacin:vacin:

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La luz visible es slo una de las muchas formas deenerga electromagntica. Las ondas de radio, el ca-lor, los rayos ultravioleta y los rayos X son otras for-mas familiares. Todas estas formas de energa sonintrnsicamente similares y se propagan de acuerdo ala teora bsica de ondas. Esta teora describe la ener-ga electromagntica como propagndose en forma

armnica y sinusoidal a la velocidad de la luz c. Ladistancia de un mximo de la onda al siguiente es lalongitud de onda y el nmero de picos que pa-

san por un punto fijo en el espacio por unidad de tiem-po es la frecuencia


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teleobservacin es frecuente caracterizar las ondaspor su ubicacin, segn la longitud de onda, en el es-pectro de radiacin electromagntica (figura 3).

El espectro electromagntico es el rango de longi-tudes de onda que se extiende desde la radiacin cs-mica hasta las ondas de radio. La unidad usada prefe-rentemente para medir la longitud de onda es el mi-crn (m). Un micrn es igual a 1 x 10 -6 metros.Si bien se asignan nombres como ultravioleta omicroondas a algunas regiones del espectro, no hayun corte neto entre una regin y la siguiente. Las divi-

siones en el espectro surgen a partir de los distintosmtodos para detectar la radiacin, ms que de dife-rencias intrnsecas en las caractersticas de la energaen las distintas longitudes de onda.

Puede verse en la figura 3 que la parte visible delespectro es muy pequea, porque la sensibilidad es-pectral del ojo humano se extiende slo desde los

0,4 m hasta aproximadamente los 0,7 m. El colorazul corresponde al rango de 0,4 a 0,5 m, el ver-de de 0,5 a 0,6 m y el rojo de 0,6 a 0,7 m. Laenerga ultravioleta (UV) se encuentra junto al azul enla parte visible del espectro; por otra parte, a conti-nuacin en el extremo rojo hay tres categoras dife-rentes de ondas infrarrojas , el infrarrojo cercano (0,7a 1,3m), el infrarrojo medio (1,3 a 3m) y el infrarro-jo trmico (ms all de los 3 m). El rango de lasmicroondas corresponde a las longitudes mucho mslargas (1 mm a 1m). En microondas, suele hablarse de

frecuencia ms que de longitud de onda, el rango de30 a 300 milmetros corresponde a una frecuencia de1 Ghz y 10 Ghz.

La mayora de los sensores operan en uno o variosde estos rangos. Cabe sealar que dentro del infrarro-jo slo la energa en el infrarrojo trmico se asocia concalor.

Figura 3:Espectro Electromagntico.

Figura 2: Onda Electromagntica. Consta de una onda sinusoidal elctrica (E) y una similar magntica (M),perpendiculares entre s y ambas perpendiculares a la direccin de propagacin (V).

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V


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Figura 4:Caractersticas espectrales de a) las fuentes de energa, b) efectos atmosfricos, c) sensores remotos.(Notar que la escala de longitud de onda es logartmica).

Independientemente de la fuente, toda la radiacindetectada por los sensores remotos realiza un recorri-

do a travs de la atmsfera. La longitud de este reco-rrido puede variar mucho. Por ejemplo la imagensatelital se obtiene como resultado de la luz del sol queatraviesa la atmsfera de la Tierra, incide sobre la su-perficie y es recibida por el receptor luego de haberatravesado nuevamente la atmsfera. Por otra parte,un sensor trmico montado en un satlite detecta ener-ga emitida directamente de los objetos de la superfi-cie de la Tierra y por consiguiente el recorrido es mscorto pues atraviesa la atmsfera una sola vez. El efec-to de la atmsfera sobre la energa transmitida vara

con estas diferencias de recorrido, como as tambincon la intensidad de la seal emitida, con la longitud deonda y con las condiciones atmosfricas al momentode la observacin La atmsfera afecta a la radiacinincidente mediante dos mecanismos diferentes:

Interacciones de la Energa con la AtmsferaInteracciones de la Energa con la AtmsferaInteracciones de la Energa con la AtmsferaInteracciones de la Energa con la AtmsferaInteracciones de la Energa con la Atmsfera

Dispersin o Scattering:Dispersin o Scattering:Dispersin o Scattering:Dispersin o Scattering:Dispersin o Scattering:

Es la difusin de la radiacin producida por partcu-

las en la atmsfera.-Dispersin Rayleigh: se produce cuando la ra-

diacin interacta con molculas atmosfricas y otraspartculas pequeas cuyo dimetro es menor que lalongitud de onda de la radiacin incidente. Las longitu-des de onda ms cortas tienden a ser ms afectadaspor este mecanismo de dispersin que las longitudesde onda ms largas. El cielo azul es un ejemplo deeste tipo de dispersin.

-Dispersin Mie:tiene lugar cuando las partculasque interactan son de mayor dimetro que la longitud

de onda de la radiacin incidente, por ejemplo vaporde agua y partculas de polvo. Esta dispersin tiende ainfluir ms sobre las longitudes de onda ms largas.Los atardeceres rojos son un ejemplo.

-Dispersin No selectiva: se produce por la

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InteraccionesInteraccionesInteraccionesInteraccionesInteracciones de la Energade la Energade la Energade la Energade la Energa con la supercon la supercon la supercon la supercon la superficieficieficieficieficie de la Tierra.de la Tierra.de la Tierra.de la Tierra.de la Tierra.

Hay tres formas posibles de interaccin entre laenerga incidente y la superficie terrestre. Esto semuestra en la figura 5 para un elemento de volumende un lago. Parte de la energa incidente sobre elelemento es reflejada, absorbida y/o transmitida. Apli-cando el Principio de Conservacin de la Energa sepueden establecer los tres tipos de interaccin:

EI() = E

R() + E

A() + E

T()

EI() indica la energa incidente, ER() la energareflejada, E

A() la energa absorbida y E

T() la ener-

ga transmitida, en funcin, cada una de ellas, de lalongitud de onda.

Debemos notar que la proporcin de energa refleja-da, absorbida y transmitida vara para los distintos ele-mentos del terreno, dependiendo del tipo de material yde su condicin. Estas diferencias nos permiten distin-

guir diferentes elementos en una imagen. Por otra par-te, la dependencia con la longitud de onda significa quean dentro de un mismo elemento la proporcin de ener-ga reflejada , absorbida y transmitida vara con las dis-tintas longitudes de onda. Estas variaciones con la lon-gitud de onda dan por resultado el color. Por ejemplodecimos que un objeto es azul cuando refleja mucho enla parte azul del espectro.

Figura 5: Interacciones bsicas entre la energa electromagntica y la superficie terrestre.

interaccin de la radiacin con partculas de tamaomucho mayor que la longitud de onda de la radiacinincidente (por ejemplo las gotas de agua). Afecta atodas las longitudes de onda por igual. Las nubes blan-

cas son un ejemplo de este tipo de dispersin.

Absorcin:Absorcin:Absorcin:Absorcin:Absorcin:

En contraste con la dispersin, la absorcin resul-ta en una prdida efectiva de energa en la atmsfe-ra. La absorcin se produce en longitudes de ondadeterminadas. El vapor de agua, el dixido de carbo-no y el ozono son los principales elementos que ab-sorben la radiacin solar. Los rangos de longitudesde onda en los cuales la atmsfera es particularmen-te transparente se los denomina ventanas atmosfri-

cas.

En la figura 4 podemos observar la relacin entrelas fuentes de energa y las caractersticas de la ab-

sorcin atmosfrica.La figura 4a muestra la distribucin espectral de la

energa emitida por el Sol y por la Tierra.En la figura 4b estn sombreadas las regiones del

espectro en las cuales la atmsfera bloquea la energaincidente.En la figura 4c notamos que el rango de sensibilidad

espectral del ojo (rango visible) coincide con una ven-tana atmosfrica y con el mximo de energa prove-niente del sol.

La distribucin espectral de la energa emitida por laTierra tiene un valor mximo en 9 m, detectable en laventana de 8 a 14 m, usando sensores trmicos. Lossensores multiespectrales detectan energa a travs demltiples rangos estrechos de longitud de onda que van

desde el visible hasta la zona trmica del espectro. Elradar opera a travs de una ventana en la regin de1mm a 1m.

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Figura 6: Respuesta de objetos de la superficie terrestre a la radiacin incidente: 1 agua clara; 2 vegetacin; y3 -suelo. En la parte superior de la figura se representan las bandas visibles e infrarrojas de los sensores de los

distintos satlites.

Rangos Espectrales usados enTeleobservacin.

El significado de los diferentes rangos de longitud

de onda est en el mecanismo de interaccin entre laradiacin electromagntica y los materiales observa-dos. En el rango visible e infrarrojo la energa medidapor un sensor depende de propiedades tales como lapigmentacin, el contenido de humedad y la estructu-ra celular para el caso de la vegetacin, el contenidode minerales y humedad del suelo y el nivel de sedi-mentos que contiene el agua.

En el infrarrojo trmico, la radiacin detectada de-pende de la capacidad calorfica, de las propiedades

trmicas de la superficie y de zonas cercanas a la su-perficie. En el caso de las microondas, usando tcni-cas de radar, la rugosidad de la superficie terrestre ysus propiedades elctricas son las que determinan lamagnitud de la seal observada. En el rango de 20 a

60 Ghz, el oxgeno atmosfrico y el vapor de aguatienen fuerte influencia en la transmisin y puede de-ducirse su presencia en las medidas efectuadas.

La figura 6 muestra cmo reflejan la energa en elrango visible y en el infrarrojo los tres materiales do-minantes de la superficie de la Tierra: el suelo, la ve-getacin y el agua. Dado que cada una de estas cur-vas es caracterstica del elemento indicado y permiteidentificarlo, se las suele llamarfirmas espectrales.

En la parte superior de la misma figura se observanlas regiones espectrales correspondientes a las ban-das de los sensores: el de Alta Resolucin Visible In-frarrojo (High ResolutionVisual InfraRred HRVIR)en el caso del satlite SPOT, el AVHRR en el NOAA,

el Mapeador Temtico (Thematic Mapper TM) yMapeador Temtico Mejorado (Enhanced ThematicMapper ETM) en el Landsat y la CmaraMultiespectral de Resolucin Media (MultispectralMedium Resolution Scanner MMRS) en el SAC-C.

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SPOT HRVIR

NOAA AVHRR

Landsat TM+ ETM

SAC-C MMRS

3

2

1

Ref

lecta

ncia

L o n g i t u d d e O n d a

Azul

Infrarrojo

Cercano

Infrarrojo

MedioVerde

Rojo

60%50

40

30

20

10

0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.60

m


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SensoresSensoresSensoresSensoresSensores

En principio, los sistemas de teleobservacin pue-

den recibir radiacin electromagntica proveniente dela superficie de la Tierra en cualquier rango de longi-tudes de onda en el cual sea sensible el detector. Sinembargo, debido a razones tcnicas, a opacidad se-lectiva de la atmsfera terrestre, a la dispersin de laluz por parte de partculas atmosfricas y por la utili-dad de los datos que se obtienen, se excluyen ciertaslongitudes de onda. Los rangos ms utilizados parausos de la tierra son de 0,4 a 1,2 micrones (visible einfrarrojo) y entre 30 y 300 milmetros (microondas).

Si volvemos a nuestro ejemplo inicial, debemos no-tar que nuestro ojo es sensible slo a la parte del es-pectro que se indica como visible en la figura 3, a dife-rencia de los sensores remotos cuya sensibilidad varadesde el visible hasta el infrarrojo trmico, en el casode los satlites pasivos que estamos tratando aqu, yhasta las microondas en el caso de los satlites acti-vos (ERS1-2, RADARSAT, etc.).

Los sensores son dispositivos que reciben la ener-ga, la convierten en valores digitales y la presentan en

forma adecuada para obtener informacin sobre la zonaobservada.

Los sensores se dividen en sensores activos ysensores pasivos. Los sensores pasivos detectan laradiacin electromagntica emitida o reflejada de fuen-tes naturales; mientras que los sensores activos po-seen fuentes internas que generan artificialmente laradiacin, como por ejemplo el radar.

Ambos tipos de sensores tienen como objetivo la

observacin de la superficie terrestre en toda su ex-tensin y se los puede clasificar:

-No generadores de imgenes: trabajan en unasola longitud de onda y entre ellos se encuentran elaltmetro y el magnetmetro.

-Generadores de imgenes: operan en variasbandas, barriendo por franjas perpendiculares al des-plazamiento del satlite.

Ejemplos de sensores pasivos generadores de im-

genes son: el ETM de los satlites Landsat, el HRVIRde los satlites SPOT, el AVHRR de los satlitesNOAA y el MMRS del satlite SAC-C.

Sensores activos generadores de imgenes son: elradar transportado por el satlite canadiense Radarsaty los satlites de la serie ERS de la Agencia EspacialEuropea (ESA).

Adquisicin e Interpretacin de Datos

Hemos considerado las fuentes de energa electro-magntica, su propagacin a travs de la atmsfera ysu interaccin con la superficie del terreno. Combi-

nando estos factores resulta la seal, que es la ener-ga que recibe el sensor y de la cual se obtiene la in-formacin.

La deteccin de estas seales puede ser fotogrfi-ca o electrnica. El proceso fotogrfico usa reaccio-nes qumicas sobre la superficie de una pelcula sensi-ble a la luz, capaz de detectar variaciones en una es-cena. Los sensores electrnicos generan una sealelctrica que corresponde a las variaciones de ener-ga en la escena original. Un ejemplo familiar de un

sensor electrnico es una videocmara.

Una imagen es una representacin digital de unobjeto. Las imgenes que brindan los sensores remo-tos son representaciones digitales de la Tierra. Losdatos de la imagen se almacenan en archivos de datosllamados archivos imagen, en cintas magnticas, dis-cos de computadora u otro medio. Los datos son slonmeros. Estas representaciones forman imgenescuando se las despliega sobre una pantalla.

El carcter digital del archivo imagen se puede ob-servar en la figura 7. Aunque la imagen mostrada en7a parece ser una fotografa de tonos continuos, enrealidad est compuesta por una matriz de valores dis-cretos que son los elementos de la imagen o pxeles.La intensidad de cada pixel corresponde al brillo pro-medio o radiancia medida electrnicamente sobreel rea del terreno que corresponde a cada pixel. Enla imagen se observa un total de 344 filas por 328 co-lumnas de pxeles. En ella es imposible identificar lospxeles de forma individual.

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Figura 7: Carcter digital de la imagen:a) Subimagen digital original de 344 filas por 328 columnas.

b) Ampliacin de 11 por 11 pxeles de la zona alrededor del crculo marcado en a).

c) Nmeros digitales correspondientes a la radiancia de cada pxel mostrado en b).

[b]

[a]

[c]

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La figura 7b representa una zona de 11 por 11pxeles, que es la ampliacin del rea marcada en 7a.En 7c se observan los nmeros digitales individuales

correspondientes a la radiancia promedio medida encada pixel mostrado en 7b. Estos valores enteros po-sitivos resultan de cuantificar la seal elctrica digitaldel sensor en valores enteros positivos utilizando unproceso llamado conversin analgica a digital de laseal.


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Sistema SatelitalSistema SatelitalSistema SatelitalSistema SatelitalSistema Satelital

Para obtener una imagen satelital debemos tenerun sistema satelitario. El sistema satelital, es el con-junto que forman el sensor y el satlite y cuyas carac-tersticas generales definen la resolucin del sistema,es decir, la capacidad que ste tiene para resolver unelemento dado.

Haciendo referencia a nuestro ejemplo inicial, sonlos ojos que en vez de estar viendo el papel, estnviendo la Tierra.

Ahora estudiaremos cmo ven estos ojos. Estose conoce con el nombre de resolucin y hay cuatrotipos de resolucin que definen a un sistema: espa-cial, temporal, espectral y radiomtrica. Defini-

remos a continuacin cada una de ellas:

- Resolucin espacial: es la medida del objeto mspequeo que puede distinguir el sensor, o dicho en otraspalabras, es el rea que representa cada pixel en elterreno. Recordemos que cuanto mayor es la resolu-cin espacial, menor es el nmero que la define. Porejemplo, si un sensor tiene 10 metros de resolucindecimos que tiene mayor resolucin que uno que tiene30 metros.

A nivel del sensor la resolucin espacial est repre-

sentada por el campo de visin instantneo del sensor(Instantaneous FieldOfView - IFOV). El IFOV es elngulo slido mnimo subtendido por la abertura delsensor. La figura 8 muestra la cobertura satelital entierra, en ella se pude ver el ngulo mximo de barrido(Field OfView - FOV) que representa el rea totalobservada por el satlite de acuerdo a sus caracters-ticas radiomtricas. Vemos en la figura indicada la trazadel satlite, es decir, su trayectoria.

Se debe tener en cuenta que el tamao del pixel semodifica a lo largo del barrido del sensor debido a lacurvatura de la tierra, en caso de sensores con ancha

lnea de barrido.

De acuerdo a las aplicaciones puede requerirse dis-tinta resolucin espacial. Por ejemplo, sobre la super-ficie terrestre puede haber grandes diferencias enreas pequeas, por ello es necesario poder observar-las con un sistema satelitario que tenga alta resolu-cin. En el caso del mar los cambios suceden a granescala y por lo tanto es necesario tener una coberturamayor. Lo mismo ocurre con las observaciones me-teorolgicas, donde los frentes de nubes deben ser

Figura 8: Cobertura en tierra.

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SatSatSatSatSatlites meteorollites meteorollites meteorollites meteorollites meteorolgicosgicosgicosgicosgicos

cubiertos en forma extendida (baja resolucin).-Resolucin espectral: se refiere al rango de lon-

gitudes de onda, en el espectro electromagntico, quepuede registrar el sensor. O sea, las caractersticas

espectrales del sensor estn asociadas con la canti-dad de bandas en que opera y con el rango de longitu-des de onda que ellas abarcan.

Por ejemplo, la banda 1 de las imgenes NOAA/AVHRR registra energa entre 0,58 y 0,68 micrones,en la parte visible del espectro.

Si el sensor registra un ancho rango de longitudesde onda en el espectro electromagntico se dice quetiene baja resolucin espectral y si el rango es angos-

to, se dice que tiene alta resolucin.

Por ejemplo, el sensor pancromtico del SPOT tie-ne baja resolucin porque registra entre 0,50 y 0,71micrones. En cambio, la banda 1 del SAC-C MMRSregistra entre 0,48 y 0,50 micrones; en este caso setrata de un sensor de resolucin espectral fina.

En general, cuanto mayor es el nmero de bandasde un sensor y menor el ancho de las mismas, mejoresson los resultados obtenidos.

-Resolucin radiomtrica: es la capacidad quetiene el sensor de distinguir la intensidad de energaproveniente del objeto. Este tipo de resolucin repre-senta la cantidad de niveles de gris en los cuales sealmacena la informacin proveniente de cada pxel.La energa que proviene del objeto se representa convalores digitales o contajes y por lo tanto una cuentaequivale a una determinada cantidad de energa segnel sensor utilizado. Luego, la resolucin radiomtricaest relacionada con la sensibilidad radiomtrica y el

rango dinmico con que se ha construido el sensor.Estos rangos pueden variar por ejemplo entre 0 y 1023(como es el caso de los canales visibles del NOAA),entre 0 y 255 (para el caso del SPOT), entre 0 y 1023

(para algunos canales del Landsat), y entre 0 y 255(para el caso del SAC-C). Esto significa que si la ener-ga se distribuye en un rango mayor, el sensor es mssensible a pequeos cambios de energa, tal es el casode aquellos sensores construidos para mediciones so-bre el agua. Las diferencias entre valores de intensi-dad de radiacin solar reflejada por distintos tipos deagua, son muy pequeas para una misma longitud deonda. En cambio, las diferencias entre los distintos ele-mentos que cubren la superficie terrestre pueden serde uno o dos rdenes de magnitud mayor que sobre el

agua. Por lo tanto, en el primer caso se necesita ma-yor resolucin radiomtrica que en el segundo.

-Resolucin temporal: se refiere a la frecuenciaen el tiempo con la cual el sensor obtiene imgenes deun rea particular. Por ejemplo, el satlite SAC - Cpuede ver la misma rea del globo cada 9 das; Landsatcada 16 das; SPOT cada 26 das; hablamos en estoscasos de 9, 16 y 26 das, respectivamente, de perodode revisita.

La resolucin temporal es un elemento importante

cuando se estudian cambios en la superficie de la tie-rra o del ocano. Mientras en la superficie de la tierralos cambios se producen en das o aos, en la atms-fera o en la superficie del mar se producen en horas.Por esa razn se necesita mayor frecuencia de obser-vacin en el mar que en la tierra. Tambin interesa lahora del da, pues a medioda se eliminan las sombrasque son un elemento perturbador para el estudio devegetacin, pero acentan el relieve, lo cual favorecelos estudios geolgicos.

Los satlites meteorolgicos que han sido disea-dos como herramienta, para el auxilio en la elabora-cin de pronsticos del tiempo y para el monitoreo delclima, generalmente incorporan sensores que cubrenun rea mayor que los sistemas dedicados a la obser-vacin de la Tierra. Los satlites meteorolgicos tie-nen las ventajas de poseer una amplia cobertura glo-bal. Por ello, han resultado tiles en el estudio de re-cursos naturales cuando se requiere el monitoreo con

alta frecuencia de reas extendidas y no es necesarioobservar detalles.

Estos satlites operan con bandas espectrales de

longitudes de onda similares a los utilizados para ob-servacin de recursos naturales; la mayor diferenciaentre ellos radica, como hemos dicho, en la resolucinespacial. Mientras que los datos obtenidos para ob-servacin de la tierra tienen tamao de pixel de alre-dedor de los 100 x 100 metros o menor, los de obser-vacin meteorolgica tienen pxeles de 1km x 1km.

Muchos pases han lanzado satlites meteorolgi-

cos con diferentes rbitas y diseos. Nosotros nosocuparemos, en particular, de los satlites NOAA.

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Figura 9: Satlite NOAA 15.

Satlites polares y geosincrnicosSatlites polares y geosincrnicosSatlites polares y geosincrnicosSatlites polares y geosincrnicosSatlites polares y geosincrnicos

Los dos grupos principales de satlites meteorol-gicos en uso actualmente son aquellos que poseen r-bita polar y los que tienen rbita geosincrnica.

-Orbita Polar: (o heliosincrnica), en la cual el pla-no orbital rota en un ao al mismo tiempo que el movi-

miento aparente del sol en ese perodo. La altura de larbita es de alrededor de 700 a 1500 km.

En este caso podemos citar como ejemplos los sa-tlites de la serie NOAA, los de la serie Landsat, losde la serie SPOT y el satlite SAC-C; todos ellos conrbitas similares: casi polares y heliosincrnicas.

-Orbita geosincrnica: los satlites que describenestas rbitas son geoestacionarios, es decir, permane-cen en una posicin relativa constante sobre el planodel Ecuador. La altura orbital necesaria para mante-ner dicha posicin es de 36.000 km sobre la superfi-

cie terrestre. En este caso podemos citar como ejem-plo la serie de satlites GOES (GeoestacionaryOperational Environmental Satellite).

Satlites NOSatlites NOSatlites NOSatlites NOSatlites NOAAAAAAAAAA

La National Oceanic and AtmosphericAdministration de los Estados Unidos (NOAA) hapatrocinado la puesta en rbita de varios satlites derbita polar para recolectar datos de la Tierra.

Estos satlites constituyen una serie de los cualesel primero, denominado TIROS-N, fue lanzado en1978. Luego de un cambio de denominacin la seriecontina con NOAA 6 hasta llegar en la actualidad alNOAA 17. En la Figura 9 puede observarse una re-presentacin artstica del NOAA 15. Se encuentranen funcionamiento los NOAA 12, 15, 16 y 17; y estnprximos a ser puestos en rbita los NOAA N y N.Esta designacin por letras se debe a que los satlitesan se encuentran en la fase de construccin en Tie-rra, posteriormente se les asignar el nmero corres-

pondiente de la serie, en el momento del lanzamiento.Estas misiones llevan a bordo un instrumento deno-

minado AdvancedVery High Resolution Radiometer

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Tabla 1a:Caractersticas de las Misiones NOAA-8 a NOAA-14

Tabla 1b: Caractersticas de las Misiones NOAA-15 a NOAA- N.

(AVHRR), as como otros instrumentos dedicados almonitoreo ambiental e instrumentos de bsqueda y res-cate, utilizados internacionalmente para la localizacinde barcos y aviones en emergencia, a partir de la

implementacin del sistema Search and RescueSatellite-aided Tracking (SARSAT).Nos dedicaremos en particular al AVHRR. Este

instrumento es un radimetro que se utiliza para de-terminacin de cobertura de nubes y de temperaturasuperficial (tanto de la Tierra, como de las nubes o decuerpos de agua). Este instrumento fue diseado es-pecialmente para proveer informacin destinada a es-tudios de Oceanografa, Hidrologa y Meteorologa.

Luego result til tambin para estudios de Agrono-ma. La primera versin del instrumento reciba infor-macin en cuatro bandas. A partir del NOAA 7 lossatlites reciban informacin en 5 canales y actual-

mente, a partir del NOAA 15, se recibe informacinen 6 bandas.

En las siguientes tablas se presentan las caracters-ticas de los diferentes satlites de la serie NOAA agru-pados de acuerdo al sensor AVHRR que llevan a bor-do: en la tabla 1a los que llevan el AVHRR2 y en latabla 1b los que llevan el AVHRR3.

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Tabla 2a: Caractersticas y aplicaciones de las bandas del sensor AVHRR/2.

Tabla 2b: Caractersticas y aplicaciones de las bandas del sensor AVHRR/3.

Las medidas realizadas con la ltima versin delAVHRR permiten un anlisis y una determinacin msprecisa de parmetros ambientales, oceanogrficos ymeteorolgicos. Los tres canales que operan en el in-

frarrojo trmico (bandas 3B, 4 y 5) se usan para de-tectar calor, y por lo tanto la temperatura de la Tierra,del agua, de la superficie del mar y de las nubes quese encuentran sobre ellos. Estas mediciones puedenrealizarse durante el da y durante la noche. En la tomade datos nocturna se utilizan 3 bandas, y para las to-mas diurnas se utilizan 5 bandas en el AVHRR2 y 6bandas en el AVHRR3.

Resolucin Espectral

En la tabla 2a se describen las caractersticas

espectrales, la resolucin espacial y las aplicacionesde las bandas del instrumento AVHRR2, y en la tabla2b las correspondientes al AVHRR3.

Resolucin Espacial

Los datos del AVHRR se archivan en dos formasdiferentes:

1.- en alta resolucin (1km) que se los denomina

datos de cobertura de rea local (LAC).2.- en baja resolucin. Todos los datos se archivantambin remuestreados en una resolucin nominal de4 km a los cuales se designa como datos de coberturade rea global (GAC).

Resolucin Radiomtrica

La resolucin radiomtrica del AVHRR es tal quecada pixel puede tomar valores que van de 0 a 1023.Esta caracterstica resulta til en los estudiosoceanogrficos ya que permite registrar pequeos

cambios en los valores de brillo.

Resolucin Temporal

Con los satlites de la serie NOAA es posible ob-servar toda la Tierra en 14,5 das.

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- Publicaciones Didcticas CONAE18

La figura 10 corresponde a un cuadro comparativode las regiones espectrales en las cuales tienen susbandas los distintos sensores de los satlites que ac-tualmente se encuentran en rbita.

La figura 11 muestra la imagen de la Repblica Ar-gentina. Como usted recordar se trata de la imagende la cual partimos, obtenida por el sensor AVHRRdel satlite NOAA12. Ahora podemos mirarla con msdetalle e inclusive hacer algunas comparaciones conimgenes obtenidas por otros satlites.

La figura 12 muestra una imgen de la Pennsulade Valds tomada con los satlites: SAC-C/MMRS,con resolucin espacial de 175 metros.La figura 13a

muestra la misma zona tomada por el satlite LandsatTM, con resolucin espacial de 30metros; y la figura13b muestra la misma zona tomada por el satlite SPOTHRVIR con resolucin espacial de 10 metros. Toman-do como referencia la Pennsula Valds se puede ob-servar cmo aumenta el nivel de detalle de acuerdo alaumento de la resolucin espacial del sensor utilizado.

En las imgenes NOAA/AVHRR aparecendistorsiones geomtricas resultantes del ancho campode barrido del sensor y tambin debido a los efectos

de la curvatura de la Tierra.

La figura 14 muestra una imagen NOAA/AVHRRen banda 3 que cubre la Pcia. de Buenos Aires, EntreRos, sur de Santa Fe y el Uruguay. El tamao delpixel en tierra es mayor en los bordes laterales de laimagen que en el centro de la misma, esto se debe aque el ngulo de observacin de los satlites NOAAes grande. Los pxeles desplegados en la pantalla sontodos del mismo tamao pero las reas equivalentesen el terreno no lo son. Por otra parte, por cubrir 2700

km y al estar a 800 km de altura, se nota el efecto dela curvatura terrestre, esto produce la compresin enlos bordes de la imagen como se observa en el ladoderecho de la figura 14a. La figura 14b muestra lamisma imagen a la cual se le han aplicado correccio-nes geomtricas para rectificar estas distorsiones.

Aplicaciones

Los satlites NOAA proveen una imagen diaria diur-na en el visible y dos imgenes por da en el infrarrojotrmico. La figura 15 muestra el uso de las imgenes

NOAA/AVHRR para el clculo de temperatura su-perficial del mar. Aqu se muestra el mapa de tempe-ratura superficial del mar correspondiente al Ocano

Atlntico, frente a la costa de las provincias de Bue-nos Aires, Chubut y Ro Negro.

Adems de ser usados para clculo de temperatu-ra superficial del mar, los datos AVHRR se usan

intensivamente en distintas aplicaciones tales comoestudio de cobertura de nieve, huracanes, monitoreode inundaciones, estudios de vegetacin, anlisis dehumedad de suelos, deteccin de incendios, deteccinde tormentas de arena o de tierra y aplicaciones ageologa como son las erupciones volcnicas y drena-jes naturales.

Los datos del AVHRR han sido muy utilizados enmonitoreo de vegetacin. Las bandas tpicas utiliza-das a este fin son la banda visible (0,58 a 0,68 m) y la

banda 2 del infrarrojo cercano (0,73 a 1,10 m).Varias combinaciones de las bandas 1 y 2 han de-mostrado ser indicadores sensibles de la presencia ydel estado de la vegetacin verde. Estas cantidadesmatemticas se denominan ndices verdes o ndicesde vegetacin. En forma rutinaria se calculan, a partirde los datos del AVHRR, para las bandas infrarrojocercano e infrarrojo visible, dos ndices: el (VI) ndi-ce verde simple y el (NDVI) ndice verde normaliza-do. Estos ndices se calculan haciendo la diferencia dela banda 2 menos la banda 1

VI = B2 B1

Y el ndice verde normalizado:

NDVI =

Las reas con vegetacin tienen, generalmente, al-tos valores de estos ndices porque tienen alta

reflectancia en el cercano infrarrojo (B2) y baja en elvisible (B1). En cambio, las nubes, el agua y la nievetienen mayor reflectancia en el visible que en el infra-rrojo cercano. Por lo tanto, estos elementos tienenvalores negativos de ambos ndices. Las rocas y elsuelo sin vegetacin tienen valores de reflectancia muysimilares en ambas bandas y esto resulta en un ndiceprximo a cero.

Se prefiere usar el ndice verde normalizado paramonitoreo global de vegetacin porque ayuda a com-

pensar las diferentes condiciones de iluminacin, pen-diente de la superficie, aspecto general y otros facto-res externos.

B2 B1B2 + B1


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Publicaciones Didcticas CONAE -19

Figura 10: Comparacin de bandas multiespectrales.


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Figura 11:Imagen NOAA / AVHRR, combinacin de bandas 3, 4 y 5.


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Figura 12: Imagen SAC-C /MMRS, combinacin debandas 3, 2 y 1.


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Figura 13:Imgenes de Pennsula Valds: a) tomada con el Landsat5 TM

b) tomada con SPOT2.

[b]

[a]


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Figura 14:Imgenes NOAA/AVHRR: a) imagen cruda

b) imagen corregida geomtricamente.

[b]

[a]


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Figura 15:Muestra la imagen trmica de la

costa atlntica obtenida con bandas 4 y 5

del NOAA AVHRR. Los colores azules

indican las menores temperaturas; y los

naranjas y rojos indican las temperaturas

ms altas. Las zonas negras corresponden amscaras de tierra y de nubes.

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Mapa de temperatura superficial del mar.

Temperatura en C


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La figura 17 muestra una imagen composicin co-lor en tres bandas, correspondiente al sensor AVHRR

del satlite NOAA17, de fecha 26 de marzo de 2004.En la misma se observa, un centro de baja presin con

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En la Figura 16 se muestra una ima-gen de ndice de vegetacin normali-

zado, procesado con el satliteNOAA-17. La escala va de tonos ver-des intensos (vegetacin densa y vi-gorosa) a marrn intenso (vegetacindbil y escasa), el color azul corres-ponde a ros, lagos y lagunas. En laimagen se puede observar, en la Pcia.de Misiones, en verde ms intenso, elcorredor verde, el cual es conside-rado como el sistema de mayor diver-sidad y complejidad ecolgica.

nubosidad convectiva que alcanza alturas de ms de9000 metros. Se observa un desplazamiento del mis-

mo en direccin Oeste hacia la costa de Brasil, Esta-do de Santa Catalina.

Figura 16:Aplicacin al clculo de

ndice de vegetacin.*

Figura 17:Aplicacin a

Meteorologa.*


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Figura 18a y b:Aplicacin a deteccin de hielo y nieve.*[b]

[a] La figura 18a muestra una imagen falso color co-rrespondiente al satlite NOAA-14, en alta resolucin.Se observa en tonos de blanco la superficie cubiertapor nieve en la Pcia. de Santa Cruz.

La figura 18b muestra una imagen composicin co-lor, correspondiente a las bandas del infrarrojo medioe infrarrojo trmico del satlite de rbita polar en altaresolucin NOAA-15. Se observa en tonos de blancola supericie cubierta por nieve.

La figura 19a muestra una imagen composicincolor en las bandas 3, 2, 1 (infrarrojo medio, infrarrojocercano y visible) de alta resolucin del NOAA-14.Se observa en tonos de rojo los focos de incendios, enestas reas hay partes ya apagadas pero que conti-nan con altas temperaturas, por eso se ven con las

mismas tonalidades. Tambin podemos apreciar entonos de blanco grisceo la nube de humo de los focosde incendio activos. Los incendios afectaron los de-partamentos de Toay, Utracn, Guatrache y Hucal dela Pcia. de la Pampa

[a]

Figura 19 a: Aplicacin a la deteccin de incendios.*


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As llegamos al final de la primera etapa de nuestro viaje hacia el fantstico mundo de los satlites.De ahora en ms cuando veamos en televisin o en un diario una imagen satelital podremos decir:

yo se como la obtuvieron, sa es una imagen NOAA!

En la figura 20 se muestra una imagen composicincolor en tres bandas del sensor AVHRR del satliteNOAA. En la imagen se trabaj con tres fechas, unaanterior a las fuertes inundaciones de Mayo-2003, enla cual se ve el aumento del caudal del ro; otra delmomento de la inundacin (Mayo de 2003) y por lti-

Figura 20:Aplicacin a monitoreo de inundaciones.*

Figura 19b: Aplicacin a la deteccin

de incendios.

La figura 19b muestra una imagen compo-

sicin color en las bandas 4, 2, 1 (trmica, in-frarrojo cercano y visible) del satlite NOAA-14, de alta resolucin.

mo una actual con el objeto de observar la evolucinde la zona afectada. El color azul brillante correspon-de a los ros, lagunas y reas anegadas. Los tonos deazul menos intensos corresponden a aquellas con dis-tintos niveles de hmedad del suelo.

*Imagen cedida por el Servicio Meteorolgico Nacional


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Altura satelital: Distancia de la superficie de laTierra al satlite.

Angulo de barrido: ngulo que se forma desdela direccin del nadir hasta la direccin del punto deobservacin.

Angulo instantneo de observacin: IFOV, delingls instantaneous field of view, es el ngulo slidomnimo subtendido por la abertura del radimetro

Archivo header: del ingles. Es un archivo que seencuentra generalmente antes de los valores de laimagen en las cintas o CD-ROMs y que contieneinformacin acerca de los datos, tales como nmerode bandas, coordenadas de los extremos de la ima-gen, proyeccin del mapa, etc.

Banda: intervalo de longitud de onda del espec-tro electromagntico. Conjunto de datos correspon-diente a una parte especfica del espectro electro-magntico de la luz reflejada o del calor emitido (rojo,verde, azul, infrarrojo cercano, infrarrojo trmico,etc). A veces se lo llama canal.

Bit: un dgito binario, que significa un nmero quepuede tener dos valores posibles, 0 1, u ON uOFF. Un conjunto de bits puede tener distintosvalores, dependiendo del nmero de bits usados. Elnmero de valores que se pueden expresar por unconjunto de bits es 2 elevado a la potencia dada porel nmero de bits usados. Por ejemplo, el nmero devalores que pueden expresarse por tres bits es 8 (23

= 8).

bpi: bits por pulgada. Unidad de almacenamientode datos en cinta magntica.

byte: conjunto de 8 bits.

Campo de visin: FOV, del ingls field of view,ngulo mximo de barrido, representa el rea totalobservada por el satlite de acuerdo a sus caracte-rsticas radiomtricas.

Detector: es el dispositivo de un sensor que re-gistra radiacin electromagntica.

Ecualizacin de histograma: proceso deredistribucin de valores de pixel de modo que hayaaproximadamente el mismo nmero de pxeles concada valor dentro de un rango dado. El resultado esun histograma plano.

Espectro electromagntico: rango de radiacinelectromagntica que se extiende desde las ondascsmicas hasta ondas de radio, caracterizadas porla frecuencia o la longitud de onda.

Geoestacionaria (rbita): rbita ecuatorial conuna altura sobre la Tierra suficiente para que la velo-cidad del satlite alcance la velocidad de rotacin dela misma. Los satlites en esta rbita parecen estarsiempre en la misma posicin en el cielo, respecto ala estacin de tierra.

GigaHertz:(Ghz) 109 Hertz.

Hertz: medida de frecuencia que indica una vezpor segundo

Histograma: grfico de distribucin de frecuen-cia de datos. Para datos de una sola banda espec-tral, el eje horizontal del histograma es el rango detodos los posibles valores del archivo de datos. Eleje vertical es el nmero de pxeles presentes en elarchivo para cada valor de radiancia.

Imagen: representacin bidimensional de los ob-jetos que componen la escena observada mediantesensores remotos. La imagen obtenida por un sensorremoto es la representacin digital de la Tierra.

Inclinacin:ngulo determinado por la intersec-cin entre el plano del ecuador y el plano de la rbitamedido desde el Ecuador y en sentido antihorariohasta alcanzar la trayectoria del satlite.

Irradiancia:potencia emitida por la fuente (el sol)dividida por la superficie de una esfera a la distanciadada.

GLOSARIO


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Lnea de barrido: lnea total observada por elsensor, definida por la interseccin entre el plano tan-gente a la superficie terrestre y el plano de observa-

cin.

Micron: millonsima parte del metro.

Modo ascendente: sentido de navegacin en elcual un satlite registra datos en su pasaje en sentidoSur-Norte.

Modo descendente: sentido de navegacin enel cual un satlite registra datos en su pasaje en sen-tido Norte-Sur.

Nadir:o punto subsatelital. Es el punto que sehalla sobre la superficie terrestre y a la menor distan-cia existente entre la tierra y el satlite.

Pixel: elemento de resolucin del sensor sobre lasuperficie terrestre que abarca el rea determinada

por la interseccin entre el IFOV y la superficie ob-servada.

Radiacin electromagntica: energa transmiti-

da a travs del espacio en forma de ondas elctricasy magnticas.

Radiancia: cantidad de potencia dispersada enuna direccin particular por unidad de ngulo slido.

Radimetro:instrumento que obtiene medidas dela reflectancia espectral.

Reflectancia:es el cociente entre la energa re-flejada por un elemento del terreno y la energa inci-

dente sobre dicho elemento del terreno.Sensor: Dispositivo que rene la energa, la con-

vierte en valores digitales y la presenta en forma ade-cuada para extraer informacin sobre el rea obser-vada.

Sistema de informacin geogrfica: (SIG) en

ingls GIS; sistema nico diseado para una aplica-cin particular que almacena, refuerza, combina yanaliza capas de datos geogrficos para producir in-

formacin interpretable. Un SIG puede incluir im-genes computarizadas, mapas, datos estadsticos yotros datos necesarios para un estudio, as comosoftware computarizado y conocimientos. Los SIGse usan para resolver problemas complejos de pla-nificacin geogrfica y problemas de gobierno.

Sistema de Posicionamiento Global: del inglsGlobal Positioning System (GPS). Un sistema satelitalque, utilizado con un receptor adecuado, permite alreceptor calcular su ubicacin (lat/long) y su altura

sobre el nivel del mar. Esto es til para ubicacin devehculos, puesto que su posicin no es fija.

Tamao de celda: rea que representa un pixelmedida en unidades de mapa. Por ejemplo, una cel-da en la imagen puede representar 30 x 30 metrosen el terreno. A veces se lo llama tamao de pixel.

Tiempo de revisita: intervalo de tiempo quetranscurre entre dos pasadas del satlite por la mis-ma rea.

Tiff (datos): del ingls Tagged Image File FormatData, es un formato de archivo de datos utilizado

para transportar datos con facilidad, desarrollado poruna empresa de Washington en 1986.

Transmitancia:cantidad de irradiancia solar quellega al suelo, relativa a la que alcanzara la tierra sino hubiera atmsfera.

Traza: es la lnea imaginaria que resulta de la in-

terseccin entre el plano de la rbita y el plano tan-gente a la superficie terrestre.

Umbral: en ingls threshold, un lmite, o punto decorte, usualmente el valor del mximo error acepta-

ble en un anlisis.


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BIBLIOGRAFIA

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Perturbaciones introducidas por la atmsfera y la superficie terrestre en las bandas

pticas de la radiacin electromagntica solar. Su importancia en la teledeteccin., Laura Frulla. Tesis doctoral, Dto. de Fsica de la UBA, 1992.


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