La Radiometría de Campo se puede definir como la técnica utilizada para medir las características espectrales, o interacciones energía-materia, de las cubiertas terrestres en su entorno natural bajo iluminación solar. Es una técnica complementaria a la Teledetección. Su diferencia radica principalmente en que el registro de la información espectral en Teledetección se realiza mediante sensores (remotos) situados en plataformas aéreas y espaciales, mientras que en Radiometría de Campo el sensor está cercano al objetivo de registro.
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Hay quien argumenta que el término correcto para denominar esta técnica es Espectroscopía de Campo (Field Spectroscopy), considerando que esas medidas lo que hacen es generar espectros o perfiles gráficos donde se reflejan los registros de dicha información. También se encuentra denominada en la bibliografía con otros términos como Hand-held Radiometry, Field Radiometry, Ground Radiometry, Reflectance spectroscopy y Field Spectroradiometry (Arquero 2003 b).
El término “Espectroscopía” está bien establecido para las medidas de comportamiento espectral en ámbitos de investigación de la Química Analítica y la Física. Tradicionalmente, se han utilizado los espectrómetros o espectroscopios para realizar estas investigaciones en el laboratorio. Actualmente desde la aparición de potentes instrumentos portátiles, el campo de aplicación de la Espectroscopía se ha extendido al estudio de las coberturas terrestres fuera del laboratorio. En la investigación que recoge este documento se va a referir como Radiometría de Campo la técnica de registro de información espectral de cubiertas terrestres en su entorno natural.
Todas las aplicaciones actuales de la espectroscopía son posibles porque, cuando la radiación electromagnética (REM) actúa con la materia, ésta se altera de manera muy específica dependiendo de las características de las moléculas que la constituyen. Por ejemplo, en el caso de las hojas de las cubiertas vegetales, la energía reflejada que se percibe se debe a que, parte de las longitudes de onda en el visible correspondientes al azul y al rojo, han sido absorbidas por ciertos pigmentos clorofílicos existentes dentro de las hojas verdes. La medida de la respuesta espectral de la materia que interactúa con la REM es recogida por un sensor que va a volcar la información recibida en forma de los denominados “espectros” (Fig. C.1.2).
En general, para usar la espectroscopía en el estudio de la composición de los objetos materiales se necesita:
Una fuente de iluminación de intensidad suficiente en el rango de las longitudes de onda de interés.
Una forma de medir la intensidad y la composición espectral de la iluminación.
Un método para dirigir la iluminación por delante de la muestra de una manera controlada.
Un medio para analizar la intensidad y la composición espectral de la luz después de que haya interaccionado con la muestra.
La vista humana es un ejemplo de un sensor natural que recibe información sobre la interacción REM-materia. Sin embargo, sólo es sensible a un rango pequeño de longitudes de onda, aproximadamente de 400-700 nm, denominado “visible”. Así si se compara el ojo humano con un espectrómetro que evaluara una misma escena, éste descubriría muchos más rasgos o matices en el espectro reflejado. Por ejemplo en el caso de paisajes con vegetación, mientras que el ojo humano no distinguiría mas allá del color verde; el espectrómetro apreciaría además las bandas de absorción anchas causadas por el agua líquida en la hoja, y quizá también, algunas bandas de absorción mucho más finas causadas por los procesos bioquímicos que tienen lugar en el interior de la hoja.
9 Hay que tener en cuenta, que las disciplinas de la Espectroscopía, la Radiometría de Campo y la Teledetección se diferencian en dos aspectos fundamentales. En primer lugar, los espectroscopistas tienden a basar sus estudios alrededor de los espectros de absorción, a menudo midiendo la cantidad de energía transmitida a través del objeto de interés. En segundo lugar, suelen presentar sus espectros de absorción en unidades de frecuencia, o, más típicamente, en números de onda en el eje x, esto es, en números inversamente proporcionales a la longitud de onda, con lo que se relacionan directamente con la energía involucrada en el proceso de interacción con la materia.
Sin embargo, en Radiometría de Campo y en Teledetección, es más usual utilizar la energía reflejada y/o emitida por los objetos y trazar, a partir de ella, los espectros de reflectancia en función de la longitud de onda (λ), lo que es más significativo a la hora de detectar las diferentes características del objeto. Hay que hacer notar, sin embargo, que en ocasiones se sigue utilizando el término de absorción en los espectros de reflectancia para explicar los fenómenos que aparecen en regiones del espectro donde la superficie de interés está absorbiendo la luz incidente.
En el ejemplo de la Fig. C.1.2, donde se representa el espectro de reflectancia de una encina, se observa la forma del perfil espectral de la reflectividad para las diferentes longitudes de onda (λ) de medida en este tipo de cubierta terrestre. Este perfil es el resultado del registro de la intensidad de la luz reflejada a diferentes longitudes de onda por parte de este tipo de cubierta, una vez iluminada por una fuente de irradiación que es el Sol.
La absorción y dispersión son procesos fundamentales que se producen en la atmósfera y que influyen de manera decisiva en la radiometría, porque determinan qué proporción de la energía solar alcanza la superficie en cada una de las longitudes de onda.
Sin embargo, este hecho puede obviarse fácilmente cuando los registros de radiometría de campo se presentan como espectros de reflectancia, basados en que, la cantidad de REM reflejada por la superficie terrena se expresa como una proporción de la REM incidente, relacionándola así con la intensidad y la distribución espectral de la fuente de luz.
La influencia de los procesos atmosféricos en los espectros es una parte del ruido de la señal en las regiones del mismo, donde la energía incidente es muy baja, no apreciándose o apreciándose mucho menos, en longitudes de onda en las que la atmósfera presenta bandas de absorción.
Los principales componentes de la atmósfera que afectan a la señal disponible para la Radiometría de Campo son los aerosoles, el vapor de agua, el oxígeno, el ozono y el anhídrido carbónico.
La absorción espectral de los aerosoles por ejemplo, depende de su tamaño, forma y composición y es muy difícil generalizar, mientras que la debida al vapor de agua y los gases absorbentes principales, son más predecibles, sobre todo cuando se considera la estacionalidad anual en la que se realiza el registro de la información espectral.
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Fig. C.1. 2. Espectro o señal reflejada por una hoja verde de encina, usando el espectrorradiómetro Ger1500
Los datos obtenidos en el laboratorio (www-usgs) presentan una mayor precisión si se comparan con los recogidos en el campo y se han usado con éxito para los suelos, piedras, partes individuales de la planta y musgos, etc., aunque no pueden sustituir totalmente las dimensiones y condiciones del lugar original, fundamentalmente por tres razones. La primera de ellas se refiere a la dificultad de llevar la superficie de interés al laboratorio sin dañarla.
En segundo lugar, es necesario hacer un muestreo de un área suficientemente extensa de la superficie original para proporcionar una medida representativa, lo que puede ser muy difícil de lograr en el laboratorio (por ejemplo para un dosel de vegetación). Y finalmente, si el objetivo que se pretende es simular lo que un sensor remoto aerotransportado u orbital mediría, es necesario también reproducir, lo más fielmente posible, el ambiente de iluminación del campo en el laboratorio, lo cual no es nada sencillo ya que la mayoría de los instrumentos existentes en el mismo se diseñan para medir la reflectividad en condiciones muy controladas y artificiales. Las muestras naturales normalmente son iluminadas por el hemisferio entero del cielo, y así reciben, además del flujo solar directo, la luz del cielo dispersada. En sus interacciones con la superficie, una proporción de esta radiación incidente se refleja, directamente de la superficie o después de las interacciones múltiples dentro de la misma, si el material es translúcido a la radiación entrante. Los blancos naturales (referencias) generalmente no son reflectores difusos perfectos (Lambertianos), y así, la intensidad del flujo reflejado varía con el ángulo con el que abandona la superficie. Por consiguiente, el ambiente de la radiación comprende dos distribuciones hemisféricas de radiación electromagnética, uno entrante y uno saliente, y es la interacción entre éstas dos lo que es relevante para la Radiometría de Campo.
Cuando se considera la influencia de la dirección de los flujos de energía, se puede usar el término de “factor de reflectancia hemisférico-direccional”, para referirse al factor de reflectancia bidireccional (BRF) medido en el campo, y también se ha sugerido el término de “factor de reflectancia hemisférico-cónico” para dar énfasis al hecho de que, el flujo reflejado, también es moderado por encima de un ángulo sólido finito y por tanto, no es estrictamente direccional. Ambos métodos para medir
Encina 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0 200 400 600 800 1000 1200 Longitud de onda (nm) R e fl e c ta n c ia (%/ 1 0 0 ) Serie1
11 el BRF en el campo son dependientes de la elevación y la posición acimutal, tanto del Sol como del sistema de visión u observación.
La estimación de la función de distribución de la reflectancia bidireccional (BRDF) completa de una superficie involucraría un aumento de los datos, que, en la situación del campo, estarían sujetos al error debido a los cambios en la posición del Sol a medida que transcurre el tiempo. Por consiguiente, aunque debe aceptarse que la BRDF representa la definición más completa posible de la reflectancia espectral de un objeto natural, en la práctica, debe aproximarse por el BRF que se mide en un rango limitado de longitudes de onda, o con un número limitado de posiciones de la fuente de luz o con un número limitado de posiciones del sensor.
A menudo, no se indica que se ha medido el BRF. En algunos casos puede ser evidente que sólo es útil un rango particular de longitudes de onda, porque se va a comparar con un sensor remoto concreto.
Muchas disciplinas están interesadas en la medida de luz reflejada por los objetos en su ambiente natural y se pueden encontrar descripciones más antiguas de radiómetros espectrales en la literatura relacionada con el desarrollo de la fotografía en el Siglo XIX y con el estudio de la visión humana a principios del Siglo XX. Estos instrumentos estaban limitados en el rango y sensibilidad por los descubrimientos disponibles en ese momento, y pasaron muchos años antes de que estuvieran disponibles los espectrómetros del campo capaces de medir la reflectancia espectral de cubiertas naturales en las longitudes de onda del visible, infrarrojo e infrarrojo cercano.
Los instrumentos limitados para medir en las longitudes de onda del rango visible son conocidos como fotómetros y, cuando son sensibles en un rango más amplio de longitudes de onda, se conocen con el nombre de radiómetros. Los fotómetros se calibran normalmente en unidades de lux que corresponden a los niveles de brillo percibidos por un observador humano, mientras que los radiómetros se calibran en las unidades de radiancia, típicamente microwatios por estereorradián por nanometro (μWsr-1nm-1).
El prefijo -espectro- se usa para caracterizar un fotómetro o radiómetro que son capaces de medir un espectro continuo dentro del rango de longitudes de onda considerado, en oposición a un instrumento multibanda que se limita a un número pequeño de longitudes de onda. En algunos radiómetros multibanda o fotómetros, las situaciones y anchura de las bandas se pueden variar, mientras que, en otros, son fijos.
El desarrollo de los espectrómetros a lo largo de las pasadas décadas se puede resumir así:
Década de los años 60
A lo largo de los años 60, el desarrollo de los espectrómetros para su uso en campo fue llevado a cabo por la comunidad biológica, debido, básicamente, al deseo de entender la fotosensibilidad de las plantas. Algunos de estos instrumentos fueron diseñados para examinar las plantas en un rango de longitudes de onda específico, mientras que otros tenían un número limitado de bandas espectrales fijas, situadas, normalmente, en las regiones de absorción de los pigmentos vegetales. La tecnología de los detectores de esta época estaba limitada a la región entre los 0,4–1,1 μm, pero éste no era un problema ya que, la mayoría de las interacciones energía-materia de
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interés, tienen lugar dentro de la región de 0,4–0,9 μm. Muchos de los primeros experimentos de campo usaron algún tipo de espectrómetro de laboratorio modificado, pero éstos se han reemplazado por instrumentos diseñados específicamente para el ambiente del campo, coincidiendo, a veces, con los sensores remotos aerotransportados u orbitales.
Década de los años 80
En esa época, había un interés creciente por el conocimiento de los datos en longitudes de onda mayores, sobre todo para ciertas aplicaciones, como la identificación de minerales, estudio de la tierra, química foliar y contenidos en agua de las plantas. El desarrollo de instrumentos de campo, que operaran con éxito en estas longitudes de onda más largas, exigió la adopción de técnicas especiales para controlar los efectos de la temperatura y los bajos niveles de radiación solar reflejada involucrada.
Aparece también un creciente interés en extender la sensibilidad de estos instrumentos a longitudes de onda más cortas, hasta la región del azul para aplicaciones marinas y de agua dulce e, incluso, en el ultra-violeta para estudiar el efecto de niveles reforzados de radiación de UV en las plantas y animales.
Espectrorradiómetros actuales
Los espectrómetros de campo son complejos dispositivos electro-ópticos, altamente especializados, que han ido evolucionando a partir de los instrumentos modificados de laboratorio de los años setenta hasta los sofisticados instrumentos de campo actuales. Esta evolución ha sido posible, fundamentalmente, gracias a los desarrollos técnicos obtenidos en dos áreas. Primero, se han producido adelantos técnicos en los sistemas electro-ópticos disponibles para dispersar la luz en sus longitudes de onda constitutivas y así medir el flujo resultante. En particular, la invención de las matrices lineales de detectores ha eliminado la necesidad de barrer un espectro dispersado por detector simple, reduciendo así las partes móviles involucradas y aumentando de paso la velocidad de adquisición de los datos. Segundo, ha habido cambios significativos y sensibles reducciones en el costo de almacenamiento de los datos y en la tecnología de la informática portátil.
Como resultado, un espectrómetro de campo de prestaciones medias en el año 2001 tiene un coste aproximado de un 50% del equivalente al de hace 10 años. Sin embargo los instrumentos siguen siendo todavía muy caros porque su precio refleja el costo de adoptar tecnologías electro-ópticas punteras; además, la investigación asociada y el esfuerzo desarrollado es grande y el mercado es pequeño para estos instrumentos.
Los espectrómetros de campo han progresado por tener módulos internos de memoria de estado sólido. Muchos sistemas tienen un libro de notas o computadoras de mano incorporadas y esto hace que el procesado de espectros sea mucho más simple. Virtualmente todos los sistemas someten los datos espectrales a algún “preproceso” para corregir, según sean las características del instrumento, los desplazamientos de los niveles oscuros y la eliminación de saltos que normalmente aparecen en los espectros de reflectancia, a menudo en las longitudes de onda en que hay un cambio de rejilla, detector o cuando se aplica un filtro.
13 Es importante que los usuarios de espectrómetros entiendan cómo los datos se han preprocesado, porque, si esto se hace incorrectamente, puede enmascarar rasgos de interés o puede añadir efectos indeseados sobre los datos.
En paralelo con los desarrollos del hardware, ha habido adelantos significativos en el software disponible para el uso con los radiómetros del campo. Un ejemplo particular puede ser el software llamado 'Pimaview' que está disponible para el espectrómetro Integrated Spectronics PIMA II (www-Int.Spectronics). Este instrumento se diseña específicamente para el uso en la exploración mineral y medidas de un espectro de una muestra de piedra sujeta en un lado de la caja. La muestra se ilumina por una fuente de luz interna y el espectro de reflectancia calibrado se guarda en el disco. El software de Pimaview permite entonces al usuario comparar los rasgos de absorción en el espectro registrado frente a las formas que ofrece un banco de datos de espectros de piedra contenidos en una biblioteca espectral en el disco.
La espectroscopía de campo pasiva cuenta con el Sol como la fuente de iluminación y así, su posición en el cielo y la proporción de iluminación directa o difusa, son los factores más importantes en la reflectividad medida.
La geometría de iluminación y la de registro deben ser consideradas, así como la heterogeneidad espacial de la superficie en las longitudes de onda medidas.
Estos factores hacen que el modo pasivo en la espectroscopía de campo sea mucho más cambiante que el modo activo. Sin embargo, las ventajas también son mayores, puesto que las reflectancias medidas por este método son mucho más parecidas a las obtenidas a partir de un sensor remoto, bien a bordo de un avión o de un satélite. Se pueden identificar cuatro tipos de escenarios distintos de la medida:
Escenario 1: Muestra puntual y geometría de visión fija.
Normalmente es la más usada para hacer medidas con visión desde el nadir, con el espectrómetro apuntando verticalmente hacia abajo.
El instrumento puede ser portátil, sin embargo para una precisión mejor debe usarse un mástil, trípode u otro apoyo para asegurar que la geometría muestra- sensor se ajusta durante el periodo de medida. Este escenario se usa a menudo para medir la tendencia de la reflectancia de una superficie durante el día.
Escenario 2: Promedio aéreo, geometría de visión fija.
Se puede usar para superficies homogéneas uniformes, superficies graduales, o superficies de patrones. Se pueden describir varias técnicas. El área muestreada para un espectrómetro de campo es, típicamente, mucho más pequeña que el tamaño del píxel de un sistema remoto. Esto es así porque los espectrómetros del campo necesitan tener un campo de visión angular lo más pequeño posible para que el BRF sea una aproximación válida de la BRDF (tal y como se ha comentado anteriormente).
Por consiguiente, la única manera de aumentar el área de muestreo es levantar el instrumento sobre la superficie. Los instrumentos disponibles tienden a tener un campo de visión angular de 15° o menor, y, raramente, se elevan a más de 3 metros sobre la superficie de la muestra. Para la mayoría de las superficies, por
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consiguiente, se requieren varias muestras para caracterizar la reflectancia de un área suficientemente grande.
La metodología para planear este muestreo espacial tiene que ser cuidadosa. Depende de la relación entre el tamaño del campo de visión proyectado del espectrómetro y la variabilidad espacial de la superficie en cada una de las bandas espectrales registradas. Para la mayoría de las superficies, es probable que esta relación varíe con la longitud de onda. Por ejemplo, para las superficies vegetales, se esperaría que la variabilidad espacial intrínseca de la superficie fuera mayor en el