tema 3. las nuevas tecnologías en la investigación del medio ambiente

LAS NUEVAS TECNOLOGÍAS EN INVESTIGACIÓN DEL MEDIO

AMBIENTE

Introducción En los últimos 30 años el ordenador e internet se han

convertido en herramientas de gran aplicación en los estudios medioambientales:– Usos informáticos– Usos telemáticos o de comunicación a distancia:

• Trabajo en red• Aplicaciones multimedia (videoconferencias)• Internet• Telefonía móvil

Todo ha contribuido a una mejora en la cooperación internacional y la creación de comunidades virtuales de trabajo, aunque el 79 % de los usuarios de internet se concentra en las grandes ciudades de los países industrializados (14 % de la población mundial).

FUENTES DE INFORMACIÓN AMBIENTAL

Se considera información ambiental cualquier dato relacionado con alguna característica del sistema Tierra.

Las nuevas tecnologías se vienen utilizando en el estudio del medio ambiente.

Actualmente se obtiene un enorme volumen de datos sobre variables de interés ambiental. Esta información se archiva en bases de datosgestionadas por instituciones diversas.

Estas bases de datos generalmente son públicas y se puede acceder a ellas a través de la red.

FUENTES DE INFORMACIÓN AMBIENTAL

Estaciones fijas de medida

Instrumentos de medida móvilesInstrumentos a bordo de

satélites

TRATAMIENTO DE LA INFORMACIÓN AMBIENTAL

1. La información se procesa

2. La información se interpreta

3. La información se almacena en ordenadores

4. La información se utiliza

PROGRAMAS INFORMÁTICOS DE SIMULACIÓN MEDIOAMBIENTAL

Pueden realizarse modelos numéricos para simular sistemas ambientales como ecosistemas, terrenos que se van a industrializar, zonas expuestas a un riesgo…

En estos modelos se utilizan ecuaciones en las que una o más variables van cambiando su valor generalmente con el tiempo.

Estos modelos permiten abordar problemas en los que están implicadas muchas variables.

SISTEMAS INFORMÁTICOS Y SIMULACIÓN MEDIOAMBIENTAL

WORLD-2

Desarrollado por Jay Forrester en el MIT.

Modelo cuyas variables para determinar el comportamiento del mundo son cinco: – Población– recursos naturales no renovables– alimentos producidos– contaminación y – capital invertido.

La simulación de su comportamiento futuro se expuso en el informe: ”Los límites de crecimiento”

(El Club de Roma)

Conclusión: no podemos mantener por un tiempo indefinido nuestro actual ritmo de crecimiento (poblacional y económico).

Podría conseguirse la estabilización del sistema con una serie de reducciones:– Tasa de natalidad: 50% – Tasa de consumo de recursos naturales: 75%– Alimentos producidos: 25%– Tasa de contaminación: 50%– Capital invertido: 40%

WORLD-3Más allá de los límites del crecimiento

Desarrollado por D.L.Meadows y D.H.Meadows (1991).

Se simulan diferentes escenarios en función de decisiones políticas respecto al consumo de recursos naturales.

WORLD-3

WORLD-3

WORLD-3Más allá de los límites del crecimiento

Si se continua con la tendencia actual:– Crecimiento de la población.– Industrialización.– Contaminación.– Producción de alimentos– Consumo de recursos.

Escenario 1: Se mantiene la situación actual

1ª Conclusión: Los límites del planeta se alcanzarán dentro de los próximos cien años tras lo cual sucederá un declive súbito e incontrolable.

Escenario 2: Se duplican los recursos disponibles mediante desarrollo de nuevas tecnologías.

El colapso se produce de una manera más brusca que en el escenario 1.

Escenario 3 : Se duplican los recursos y alimentos, aumenta la eficacia en el uso de recursos y disminuye erosión y contaminación.

2ª conclusión: Es posible modificar las tendencias de crecimiento y establecer unas normas de estabilidad ecológica y económica, que pueden ser mantenidas por mucho tiempo de cara al futuro.

3ª conclusión: Cuanto antes se empiece a trabajar por esta alternativa mayores posibilidades de éxito.

Críticas al modelo World-3:

Modelo Maltusiano, que culpa al incremento de la población de todos los problemas ambientales (penaliza a los países del “Sur”).

Visión simplificada de la realidad que representa tendencias y no la realidad.

SISTEMAS DE TELEDETECCIÓN

Detección remota a través de sensores.

Teledetección: técnica que permite la observación a distancia y la obtención de imágenes de la superficie desde sensores en aviones o satélites.

COMPONENTES DE UN SISTEMA DE TELEDETECCIÓN

TELEDETECCIÓN ACTIVA

TELEDETECCIÓN PASIVA

COMPONENTES DE UN SISTEMA DE TELEDETECCIÓN

SENSOR: Cámaras situadas en aviones o satélites (+800km.)En función de la ENERGÍA DETECTADA (radiación

electromagnética): - Pasivos: Capta la radiación del sol reflejada por la superficie observada o emitida por elementos terrestres.- Activos: Emite energía y capta el reflejo producido por la superficie terrestre.

CENTRO DE RECEPCIÓN: Se transmite información digital a la tierra. Se corrigen imperfecciones y se destacan algunos elementos.

SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN

RADIACIONES DETECTADAS POR LOS SENSORES

Radiaciones reflejadas: – De origen natural (Sol)– Emitidas por el sensor (sensores activos)

Radiaciones emitidas

Radiaciones absorbidas

REFLEXIÓN. Firma espectral: Es el conjunto de radiaciones que un objeto refleja. Los sensores comparan la radiación reflejada por el objeto observado con la radiación solar que llega a la superficie terrestre. La firma espectral es característica de cada tipo de superficie.

Captación de radiación de origennatural reflejada

VOLVER

Radiación emitida. Espectro de emisión: Se refiere a la radiación infrarroja térmica característica que emiten los elementos naturales.

Captación de radiación infrarroja térmica

VOLVER

Radiación absorbida. Espectro de absorción: Los objetos transparentes absorben parte de la radiación que reciben y el abanico de radiaciones que sale es deficitario en las longitudes de onda absorbidas. Estos datos también aportan mucha información sobre el objeto.

Captación del espectro de absorción

VOLVER

HISTORIA DE LA TELEDETECCIÓN

Teledetección aérea: Globos, pájaros, aviones…– A mediados siglo XIX primeras fotografías aéreas tomadas desde

globo.– Se desarrolla con finalidades estratégicas y militares durante el

siglo XX.– Prospecciones geológicas y mineras, cartografía, mapas

topográficos, inventarios forestales…

Teledetección espacial: Se mejora con el uso de satélites espaciales– Satélites científicos (HUBBLE)– Satélites meteorológicos (TIROS, METEOSAT)– Satélites medioambientales (LANDSAT, ERS)

HISTORIA DE LA TELEDETECCIÓN

RADIACIONES ELECTROMAGNÉTICAS

La atmósfera es un filtro para las radiaciones. Sólo se utilizan aquellas radiaciones que atraviesan la atmósfera: ventanas atmosféricas.

• Microondas• Infrarrojos • Radiación visible• Ultravioleta

Las radiaciones electromagnéticas utilizadas en detección son:

RADIACIONES EMPLEADAS EN TELEDETECCIÓN

Zona visible (V)- Azul: (de 400-500nm) – B- Verde: (500-600nm) – G- Rojo: (600-700nm) – R

Infrarrojo (IR)- (IRP) infrarrojo próximo (700-1300nm) Detecta masas vegetales- (IRM) infrarrojo medio (1300-8000nm) detecta humedad.- (IRT) infrarrojo lejano o térmico (8000-140000nm) detecta calor producido por el Sol, seres vivos, incendios.

Microondas (1mm-1m)- Utilizadas para tomar imágenes sin iluminación o con nubes.

La proporción de energía reflejada, absorbida y transmitida varía para los distintos componentes del terreno, dependiendo del tipo de material y de su condición.

En teledetección se mide la radiación reflejada por el objeto comparada con la que refleja un papel blanco (considerado como una superficie reflectante perfecta) en idénticas condiciones de iluminación. Esto se llama reflectanciarelativa. Se denomina firma espectral a la variación de la reflectancia en función de la longitud de onda.

Estas propiedades específicas de cada cuerpo se aprovechan en teledetección para establecer mecanismos de identificación de los distintos elementos geográficos en su ambiente.

http://concurso.cnice.mec.es/cnice2006/material121/index.htm

A V R IRC SWIR

0

10

20

30

40

50

60

70

0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 (m)

80

vegetaciónarena

agua

nieve

incidente

reflejada

LL

Las imágenes pueden ser: analógicas o digitales.

IMÁGENES DE TELEDETECCIÓN

Las imágenes digitalesestán divididas en pequeños recuadros: pixel que corresponden a la superficie mínima detectada sobre el terreno. Tiene asociado un valor, cifra o dígito.

IMÁGENES DIGITALES

http://concurso.cnice.mec.es/cnice2006/material121/index.htm

Tipos de imágenes digitales

Fotografías aéreas– Verticales– Oblícuas

Imágenes estereoscópicas Imágenes anaglíficas

Fotografías aéreas oblicuas(color real)

Evaluación de impactos paisajísticos Seguimiento de explotaciones mineras, forestales, etc. Seguimiento de incendios y coordinación de tareas de extinción. Trabajos publicitarios.

Ventajas: – Visión panorámica.– Se puede evaluar altura forma y volumen de los objetos por su

aspecto tridimensional. Inconvenientes:

– La escala no es uniforme por lo que no se pueden medir distancias.

– Algunos objetos pueden quedar ocultos tras otros de mayor altura.

Ordenación del territorio:– Medición áreas de terreno y superficies construidas.– Detección construcciones ilegales.– Control usos del suelo.

Seguimiento de cultivos y estimación de volúmenes de cosechas.

Fotografías aéreas verticales(color real)

Ventajas:– La escala es constante por lo que se pueden utilizar para

medir distancias y áreas. Inconvenientes:

– No se percibe el relieve ni las alturas de los objetos, aunque se pueden estimar por las sombras.

Fotografías aéreas estereoscópicas

Ventajas:– Pueden utilizarse para realizar cálculos de distancias y

áreas, y son visibles todos los objetos pudiendo apreciarse su altura.

Inconvenientes:– Complejas y caras de obtener

Se obtienen fotografiando verticalmente el terreno a intervalos regulares, de forma que cada dos fotos consecutivas se solapan.

Dos de estas fotos forman un par estereoscópico.

Imágenes anaglíficas Imágenes estereoscópicas generadas por

una imagen roja y otra azul.

http://es.wikipedia.org/wiki/Anaglifo

Resolución de un sensor Es la medida de su capacidad para discriminar los

detalles:- Resolución espacial. Representa el área menor que puede distinguirse de su entorno.

- Resolución temporal. Frecuencia con que se actualizan los datos.

- Resolución radiométrica. Capacidad para discriminar las variaciones de intensidad y se mide por el número de tonos de gris que posee una imagen (6 bits por pixel –> 26=64 niveles gris)

- Resolución espectral. Longitudes de onda o bandas de detección que se es capaz de medir.

Resolución espacial.

2,4 m 4,8 m 9,6 m

0,3 m 0,6 m 1,2 m

(Huracán Andrew, 1992).

Cortesía ESA

Resolución temporal.

Satélites metereológicos

Imágenes obtenidas por el Meteosat

Luz visible Infrarrojo Infrarrojo térmico

Órbitas de los satélites

Geoestacionaria: El satélite está situado a gran altitud, siempre sobre el mismo punto, moviéndose de forma sincronizada con la rotación de la Tierra.

Órbita polar: El satélite rota de forma circular pasando por los polos a baja altura.

Órbitas de los satélites

Satélites GEO-ESTACIONARIOS (Meteosat)– Altura 36.000 km– Órbita ecuatorial, alrededor de la Tierra con la misma

velocidad angular que ella.– Siempre ve la misma zona de la Tierra.– Muestreo temporal cada 30 min.– Bajo muestreo espacial.

Satélites POLARES helio-sincrónicos– Altura sobre 800 Km.– Órbita polar. – “Alta” cobertura espacial. Frecuencia temporal baja que

depende del ángulo de barrido y de las características de la órbita.

AREA 1: Areas brillantes

AREA 2: Areas oscuras

11 bits: 2048 8 bits: 256

(Cortesía Indra-Espacio)

Resolución Radiométrica.

IMÁGENES DIGITALES EN COLOR

Las cámaras están compuestas por sensores digitales que son sensibles a diferentes bandas o longitudes de onda.

Combinando tres de esas bandas y asignándolas un color a cada una podemos obtener diferentes tipos de imágenes:– Color natural o RGB=321– Falso color o RGB=432– Otras como RGB=754, RGB=742 . . .

Imágenes en color real

Color natural o RGB (321). Con distintas intensidades según el tono de gris que posean en cada caso: los píxeles tomados en la banda 3 serán rojos, los de la banda 2 serán verdes, y los de la 1 serán azules.

El resultado será la combinación de los tres colores. Y quedará definido por tres dígitos.

El total de colores diferentes será de 16 millones.

IMÁGENES EN FALSO COLOR

Con la imágenes de falso color se consiguen imágenes de la tierra que corresponden a energías (reflejadas o emitidas), que nuestros ojos no detectan, pero que proporcionan información sobre el tipo de vegetación, o la composición principal de un suelo o tipo de roca, ya que según la composición química y la estructura física de un objeto, se reflejará o emitirá la energía en las distintas regiones del espectro electromagnético.

Imágenes en falso color

RGB (432).– El color rojo corresponderá a la imagen obtenida

en la banda 4,– El verde a la banda 3, y – el azul a la 2.

Este tipo de imágenes realza los detalles y facilita el estudio de masas vegetales y su vigor, recursos mineros, zonas ocupadas por el agua y espacios urbanizados.

Existen otras como RGB=754, RGB=742, etc.

Azul

Rojo

Verde

Síntesis coloreada

Imágenes originales Bandas en tonos de color

Composición coloreada

Distintas composiciones en colorsobre la misma imagen

4/5/3

4/3/2 4/7/1

3/2/1

MECANISMOS DE TELEDETECCIÓN

Sensores de barrido multiespectral:– Los sensores hacen un barrido de la

superficie de forma perpendicular al movimiento del satélite.

– Las radiaciones son separadas según su longitud de onda y convertidas en una señal digital.

Sensores de microondas:– Pasivos : captan la radiación emitida

por nieve o hielo (cuerpos fríos)– Activos: RADAR. Se emite el pulso de

microondas y se recoge.La señal de microondas se distorsiona por la diferente reflexión de la cubiertas terrestres.

Explorador de Barrido

Óptica

Dirección deBarrido

Dirección de latrayectoria

Sensores de radar Los sensores de radar son útiles:

– En el estudio del relieve– Cuando el cielo está cubierto o es de noche– Para detectar movimiento en la superficie del

mar o en la tierra– Para comprobar el vigor de la vegetación,

crecimiento de cosechas, estado de bosques– Valoración del alcance de mareas negras.

Radarmetría: Los sensores radar nos dan información sobre la altitud del terreno (Fig3.26.).

Imagen radar del Envisat del derrame de crudo del Prestige

Imagen radar del volcán Pinatubo la sensación de color se logra combinando 3 señales recogidas (total, vertical y horizontal) y asignándoles 3 colores.

GPSSistema de posicionamiento global

Sistema formado por unos dispositivos que nos permiten conocer nuestra posición exacta sobre la superficie terrestre, gracias a la triangulación de las señales emitidas por satélites.

Sistema GPS

Sistema Galileo

Previsto que estuviera disponible en 2008

Primeros dos satélites lanzados en octubre 2011, se prevé que este disponible en 2019 (nueve años después de los previsto)

Sistemas telemáticos apoyados en la teledetección

SIG: sistemas de información geográfica.

Base de datos con información geográfica.

Programas informáticos que contienen una gran cantidad de datos de una zona organizados en capas.

Se puede gestionar fácilmente toda la información sobre un territorio.

Superposición de capas de un SIG

Toponimia

Información integrada

Vías de comunicación

Red fluvial

Edificaciones

Base cartográfica

Modelo tridimensional

Google Earth es una aplicación informática que accede a sistemas de información geográfica (SIG)

El programa permite calcular rutas, acercar o alejar la imagen, cambiar su orientación o inclinarla, etc.

Proyecto Corine

http://dataservice.eea.europa.eu/atlas/default.asp?refid=2D511360-4CD0-4F20-A817-B3A882ACE323