Marco conceptual



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Instituto de Investigaciones Marinas y Costeras “José Benito Vives de Andréis”- INVEMAR


  1. MARCO CONCEPTUAL

El LabSI como encargado de la generación y mantenimiento de la cartografía y de sus bases de datos asociadas, hace empleo de diversas herramientas técnicas, las cuales se refieren a un conjunto de procedimientos que sirven para observar y monitorear los recursos naturales así como almacenar y analizar el resultado de estas observaciones. En la actualidad, estas técnicas de observación y análisis se implementan en sistemas computarizados, que globalmente se conocen como Sistemas de Información Geográfica -SIG-. En general, la mayoría de los procesos de integración de información realizados al interior del LabSI, se realizan en el marco de los SIG y Sistemas Administradores de Bases de Datos, con apoyo en trabajo de campo y percepción remota.

Esta integración de técnicas y metodologías de adquisición, almacenamiento, procesamiento, análisis, presentación y distribución de información geográficamente referenciada, actualmente se conoce como Geomática, que es definida por la Organización Internacional de Estandarización (ISO19100 TC/211), como el “campo de actividades que integra todos los medios utilizados para la adquisición y gestión de datos espaciales necesarios para las actividades científicas, administrativas, legales y técnicas involucradas en el proceso de producción y gestión de la información espacial” .


    1. Qué son los Sistemas de Información Geográfica?


Los SIG son un poderoso grupo de herramientas para colectar, almacenar, recuperar, transformar y desplegar datos espaciales del mundo real para un grupo particular de propósitos (Burrough, 1986). El objetivo central de un SIG es generar información válida para la toma de decisiones y esta soportado por un conjunto de programas y equipos de computación que permiten el acopio, manipulación y transformación de datos espaciales (mapas, imágenes de satélite) y no espaciales (atributos) provenientes de varias fuentes, temporal y espacialmente diferentes (Bocco, 1991).

Los SIG están integrados por cuatro elementos: el módulo de entrada de datos (selección y captura), el módulo de manejo de datos (almacenamiento, recuperación, base de datos geográficos), el módulo de análisis de datos (modelamiento, reglas o normas de análisis, monitoreo) y el módulo de salida de la información (productos generados, intermedios o finales) (Bocco, 2000).

El éxito de un SIG, depende de las características y el uso de sus elementos. Al iniciar la elaboración de un SIG, se debe establecer en primer lugar el Modelo de Datos definido como “Un sistema formal y abstracto que permite describir los datos de acuerdo con reglas y convenios predefinidos. Es formal pues los objetos del sistema se manipulan siguiendo reglas perfectamente definidas y utilizando exclusivamente los operadores definidos en el sistema, independientemente de lo que estos objetos y operadores puedan significar.” (Ullman,1999).

El análisis espacial de los datos, permite hacer uso y aprovechamiento de los mismos. Es útil al evaluar conveniencia, al hacer predicciones y para ganar una comprensión mejor de cómo se localizan y se distribuyen las características y los fenómenos geográficos. Se puede definir como el proceso de examinar los datos espaciales y de interpretar los resultados (Esri, 2004).

Hay cuatro funciones de análisis que tratan conjuntamente los datos cartográficos y sus atributos temáticos, según ARONOFF, 1989 y COMAS y RUIZ, 1993: recuperación, superposición, vecindad y conectividad.


  • Recuperación: Los análisis tendientes a recuperar o transformar datos. Comprenden  filtros de búsqueda, consulta a la base de datos, ordenamiento de la información según diferentes criterios, mediciones y estadística.

  • Superposición: comprenden la superposición geométrica, lógica de atributos y aritmética de atributos.

  • Vecindad: filtrado, inclusión, poligonización, generación de isolíneas, interpolación, modelos digitales de terreno.

  • Conectividad: comprenden análisis de contigüidad, proximidad, difusión espacial, análisis de redes, ruta óptima, análisis de accesibilidad, modelo de accesibilidad, y visibilidad.

El modelamiento espacial por su parte, es una metodología o un sistema de procedimientos analíticos que simulan condiciones del mundo real, usando relaciones espaciales y características geográficas (Esri, 2004).

Los SIG son de gran importancia y gran uso, debido a que integran información espacial y no espacial en un sistema simple, ofreciendo un marco consistente para el análisis de los datos geográficos. Algunos de los objetivos específicos de un SIG son: manejar bases de datos grandes y heterogéneas referenciadas geográficamente, interrogar a las bases de datos sobre la existencia de ciertos fenómenos (qué sucede, en dónde y cuándo), permitir la interacción en forma flexible del sistema y el intérprete, incrementar el conocimiento sobre el fenómeno estudiado e implementar modelos sobre su comportamiento.

Entre las principales ventajas con respecto a otros sistemas no digitales, se pueden contar la gran capacidad de almacenamiento de datos, el hecho que estos se almacenen y presenten en forma separada y el que se puedan presentar múltiples niveles de datos. Igualmente, ofrecen una gran capacidad de manejo de información, lo que permite editarla y actualizarla de forma rápida y eficiente, proporcionan velocidad en la operación del sistema, gran capacidad para establecer una relación coherente entre datos espaciales y sus atributos así como para manipularlos simultáneamente y una amplia capacidad de análisis y de implementación de modelos que representen a la realidad (Bocco, 2001).

    1. ¿Qué es Sensoramiento Remoto o Teledetección?


Los estudios de la superficie de la tierra que involucran el uso de técnicas de Sensores Remotos (SR) o teledetección, suponen el registro de la radiación electromagnética reflejada o emitida por la superficie terrestre mediante sensores a cierta distancia. Entre los SR más comunes se encuentran las cámaras fotográficas, las cámaras de video y los satélites especializados para el monitoreo del medio ambiente. Su objetivo de estudio es obtener información cualitativa y cuantitativa de la radiación electromagnética reflejada o emitida por la superficie terrestre. Las fotografías aéreas, las imágenes de satélite y las imágenes de radar son algunos ejemplos de información obtenida a partir de la percepción remota.

Un sistema de SR consta de cinco componentes principales: la energía, la fuente de radiación, el objetivo sobre el cual incide la radiación, el sensor y la vía de transmisión. La fuente de radiación más importante y de la cual se derivan las radiaciones más utilizadas en la percepción remota es el sol (Moizo, 2004).

La energía solar que llega a la Tierra puede reflejarse, absorberse, emitirse o transferirse en función de las propiedades físicas de los objetos. Los objetos (blancos o escenas) que registran los SR pueden ser de diversa índole, y cada uno de ellos tiene una respuesta diferente cuando un rayo de luz solar incide sobre su superficie, precisamente por sus características físicas particulares, por lo que la respuesta de cada objeto en la superficie terrestre puede considerarse como única (Moizo, 2004).

Los SR se clasifican en activos y pasivos. Los primeros cuentan con una fuente de energía propia que dirigen hacia el blanco particular y posteriormente recogen la señal de regreso (como los satélites de radar). Los segundos registran directamente la energía solar reflejada y/o la emitida de la superficie terrestre, cuentan con instrumentos y mecanismos que permiten reconocer diferentes respuestas espectrales de la luz reflejada. Estos captan información de las diferentes longitudes de onda del espectro electromagnético y la intensidad (reflectancia) del reflejo de los objetos en la superficie de la Tierra (Pérez, 2001).

Para poder elegir adecuadamente el tipo de datos que requieren adquirirse mediante técnicas de SR para un estudio específico, es necesario conocer las características que tienen los productos generados, en el caso de las imágenes satelitales deben tenerse en cuenta las especificaciones de cada satélite en particular, y decidir en función de las necesidades, prioridades y posibilidades de cada proyecto de cuál se puede sacar más provecho.

Cuando se hace referencia al SR y al uso de sus productos, se debe tener en cuenta la relación de cuatro tipos de resolución que los diferencia:



  • Resolución espacial: distancia mínima entre dos objetos, de tal manera que el sensor los pueda separar como objetos distintos (tamaño de celda). Se refiere al objeto más pequeño que puede distinguirse como unidad independiente y es representada por el tamaño de un píxel (celda) (Pérez, 2001).

  • Resolución espectral: es el ancho del espectro electromagnético medido y el número de canales empleados, es decir, el número y ancho de las bandas espectrales registradas por el sensor (Pérez, 2001).

  • Resolución radiométrica: es la sensibilidad del sensor para diferenciar una señal, es decir, qué partes del espectro electromagnético registra, su capacidad para detectar variaciones en la radiancia espectral que recibe (Pérez, 2001).

  • Resolución temporal: es el lapso mínimo comprendido entre la toma de dos imágenes de una misma zona, esto es, la periodicidad con la que el sensor adquiere imágenes del mismo punto de la superficie terrestre (Pérez, 2001).

En la actualidad la alta difusión de estas técnicas sumado a los beneficios económicos que se adquieren en la caracterización de amplias áreas sin tener que recorrerlas en su totalidad, hace necesaria la conformación de un grupo multidisciplinario bien capacitado y especializado, que pueda dar buen uso de las herramientas para dar repuesta a diferentes preguntas ambientales planteadas frente al espacio geográfico.

¿Cuales sensores son usados en estudios de zonas marinas y costeras?

Los sensores usados para estudios en zonas marinas y costeras se pueden clasificar en tres grupos de acuerdo con su resolución espacial y especificaciones técnicas.



  • Sensores de baja resolución espacial mayor de 100 metros: Las imágenes provenientes de estos sensores ofrecen cobertura de grandes áreas y mayor resolución temporal. Comúnmente estos datos son adquiridos un día de por medio, diario o dos veces al día en algunos casos, cubriendo miles de kilómetros. La resolución espacial es generalmente cerca de 1 km2 y en general no tienen costo. Estos sensores son utilizados para monitoreo ambiental de parámetros como temperatura superficial del mar, concentración de clorofila y color del océano (Tabla 1).

  • Sensores de media resolución espacial entre 10 y 100 metros: Los datos de estos sensores tienen una resolución espacial mas apropiada para identificar ecosistemas marinos y costeros debido a su resolución espacial. Es posible generar cartografía desde escalas 1:50.000 o 1:100.000. El área que cubre es menor y los periodos de toma son más largos, aproximadamente cada 15 o 16 días. Los costos no son muy altos. (Tabla 2)

  • Sensores de alta resolución espacial menor de 10 metros. Estos sensores son denominados de nueva generación, tan solo a partir del año 2000 están disponibles libremente en el mercado. Tienen una resolución espacial mucho más adecuada para delimitar y caracterizar ecosistemas marinos y costeros debido a que el tamaño del pixel varía entre menos de 1 metro y 10 metros. No obstante, el área que cubre es pequeña y por esto los costos son altos. (Tabla 3)



Sensor

Satélite

Resolución Espacial

Resolución Temporal

Bandas espectrales

Dimensión de imagen

Costo

Aplicaciones en zonas costeras

AVHRR Advanced Very High Resolution Radiometer

NOAA 9 - 14

1.1 km

12 horas

B1: 580 – 680 nm

B2: 725 – 1100 nm

B3: 3550 – 3930 nm

B4: 10.3 – 11.3 um

B5: 11.4 – 12.4 um


2399 km

Sin costo

Temperatura superficial del mar, color del océano

CZCS Coastal Zone Colour Scanner

NIMBUS - 7

825 m

6 dias

B1: 433 – 453 nm

B2: 510 – 530 nm

B3: 540 – 560 nm

B4: 660 – 680 nm

B5: 700 – 800 nm

B6: 10,500 – 12,500



1566




Temperatura superficial del mar, concentración de clorofila, distribución de sedimentos y el indicador Gelbstoff de concentración de salinidad

Sea WiFs

Sea Star

1.1 km




B1: 402 – 422 nm

B2: 433 – 453 nm

B3: 480 – 500 nm

B4: 500 – 520 nm

B5: B5: 545 – 565 nm

B6: 600 – 680 nm

B7: 745 – 785 nm

B8: 845 – 885 nm



2801

Imágenes con mas de un mes de toma no tienen costo

Color del océano y medidas de clorofila a

MODIS Moderate Resolution Spectroradiometer

TERRA-AQUA

1000 m (bandas 8-36)

1 – 2 días

B8: 405 – 420

B9: 438 – 448

B10: 483 – 493

B11: 526 – 536

B12: 546 – 556

B13: 662 – 672

B14: 673 – 683

B15: 743 – 753

B16: 862 – 877


2330 Km

Sin costo

Color del océano y fitoplancton

MIRAS (Microwave Imaging Radiometer using Aperture Synthesis)

SMOS (Soil Moisture & Ocean Salinity)

35 – 50 km

3 días

1400-1427 MHz banda L




Sin definir costo

A ser lanzado en febrero de 2007

Salinidad oceánica



Tabla 1 Sensores de baja resolución espacial, mas de 100 metros

Tabla 2 Sensores de media resolución espacial, entre 10 y 100 metros

Sensor

Satélite

Resolución Espacial

Resolución Temporal

Bandas espectrales

Dimensión de imagen

Costo

Aplicaciones en zonas costeras

TM Thematic Mapper

Landsat 1-5

30 m

16 días

B1 450 – 520 nm

B2 520 – 600 nm

B3 600 – 690 nm

B4 760 – 900 nm

B5 1550 – 1750 nm

B6 10,400 – 12,500



185 km

US $ 700

Cartografía ecosistemas emergidos y sumergidos (hasta 10 m. de profundidad), detección de cambios, fondos, batimetría, sedimentos y monitoreo de datos ambientales.

ETM Enhanced Thematic Mapper

Landsat 7

30 m multiespectrales

15 m pancromática



16 días

B7 2080 – 2350 nm







HRV High Resolution Visible

SPOT 1 - 3

10 m pancromática

20 m Multiespectral






P: 0.50 - 0.73 µm

B1: 0.50 - 0.59 µm

B2: 0.61 - 0.68 µm

B3: 0.78 - 0.89 µm



60 Km

1200 Euros

Cartografía ecosistemas sumergidos y emergidos detección de cambios, sedimentos y monitoreo de datos ambientales.

HRVIR

High Resolution Visible and Infrared



SPOT 4

10 m pancromática 20 m multiespectral 20 m infrarrojo




M: 0.61 - 0.68 µm

B1: 0.50 - 0.59 µm

B2: 0.61 - 0.68 µm

B3: 0.78 - 0.89 µm

B4: 1.58 - 1.75 µm


60 Km

2100 – 2700 Euros

ASTER Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection

TERRA

15 m visible e infrarrojo cercano





B1: 0.52 - 0.60 µm

B2: 0.63 - 0.69 µm

B3: 0.76 - 0.86 µm

B3a: 0.76 - 0.86 µm



60 Km

US $60

Cartografía ecosistemas sumergidos y emergidos, monitoreo de datos ambientales, detección de cambios, estudio de sedimentos







30 m infrarrojo medio




B4: 1.600 - 1.700 µm

B5: 2.145 - 2.185 µm

B6: 2.185 - 2.225 µm

B7: 2.235 - 2.285 µm

B8: 2.295 - 2.365 µm

B9: 2.360 - 2.430 µm



60 Km













90 m térmica




B10: 8.125 - 8.475 µm

B11: 8.475 - 8.825 µm

B12: 8.925 - 9.275 µm

B13: 10.25 - 10.95 µm

B14: 10.95 - 11.65 µm


60 Km







Sar Imagery

RadarSAT

Fine / 8 m

Variable

Microondas Banda C

Polarización HH-VV-HV



50 x 50

$3,000

Línea de costa, extensión de manglar, cartografía independiente de cubrimiento de nubes







Standard / 25 m




100 x 100

$2,750










Wide / 30 m




150 x 150

$3,000










Extended High / 25 m




75 x 75

$3,000










Extended Low / 35 m




170 x 170

Map Image $3,000




Tabla 3 Sensores de alta resolución espacial, menos de 10 metros

Sensor

Satélite

Resolución Espacial

Resolución Temporal

Bandas espectrales

Dimensión de imagen

Costo

Aplicaciones en zonas costeras

HRS High Resolution Strereoscopic

SPOT 5

5 m pancromáticas

10 multiespectrales

20 m infrarrojo





P: 0.48 - 0.71 µm

B1: 0.50 - 0.59 µm

B2: 0.61 - 0.68 µm

B3: 0.78 - 0.89 µm

B4: 1.58 - 1.75 µm





2700 Euros

Cartografía de ecosistemas sumergidos y emergidos, composición y estructura de los ecosistemas, detección de cambios y monitoreo de datos ambientales.

IKONOS (Significa Imagen en griego)

IKONOS

Pancromática: 1m

Multiespectral: 4m



1 a 3 días

P: 0.45 - 0.90 µm

B1: 0.45 - 0.52 µm

B2: 0.52 - 0.60 µm

B3: 0.63 - 0.69 µm

B4: 0.76 - 0.90 µm


11 km

US $23 por km2

Cartografía de ecosistemas sumergidos y emergidos, composición y estructura de los ecosistemas, detección de cambios y monitoreo de datos ambientales.

QuickBird

QUICKBIRD

Pancromática: 72 cm

Multiespectral: 2.88 m






B1: 0.45 - 0.90 µm

B2: 0.45 - 0.52 µm

B3: 0.52 - 0.60 µm

B4: 0.63 - 0.69 µm

P: 0.76 - 0.90 µm


16,5 km

US $26 por km2

Cartografía de ecosistemas sumergidos y emergidos, composición y estructura de los ecosistemas, detección de cambios y monitoreo de datos ambientales.

Fotografías aéreas

Aeroportadas

Programada




P: 0.76 - 0.90 µm

Programada

2500 foto

500.000 Control



Cartografía de ecosistemas emergidos, linea de costa, detección de cambios



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