Què és la teledetecció

La teledetecció és la ciència que s’ocupa d’obtenir informació sobre la superfície terrestre sense estar-hi en contacte mitjançant l’ús de diferents dispositius (drons, satèl·lits, avions, etc.).

En aquest cas ens centrarem en les imatges de satèl·lit que ens permeten estudiar l’evolució i detectar les conseqüències de fenòmens naturals o d’origen antròpic com les erupcions volcàniques, els terratrèmols, els incendis forestals, les inundacions, el desglaç de les glaceres, la desforestació o els efectes del creixement urbanístic. 

La disponibilitat d’imatges de satèl·lit d’arreu del món amb una freqüència que pot arribar a ser diària, si les condicions atmosfèriques ho permeten, facilita la identificació i el seguiment de fenòmens naturals i processos antròpics que impliquen canvis notables a la superfície terrestre. 

Però, com s’obtenen i es processen les imatges de la Terra?

Els satèl·lits que ens observen

Els satèl·lits són objectes que orbiten al voltant de la Terra amb una missió específica. Els més coneguts són aquells que s’encarreguen del sistema de telecomunicació (TV, telefonia), de navegació (GPS) o que s’utilitzen en la meteorologia. Aquí ens centrarem en els satèl·lits encarregats d’observar i monitoritzar la Terra de manera periòdica.

La NASA (National Aeronautics and Space Administration) és l’organisme nord-americà que captura les imatges de la Terra mitjançant una sèrie de satèl·lits que es diuen Landsat. Des del llançament dels Landsat, i fins l’actualitat, s’han dut a terme set missions. L’objectiu d’aquestes missions és alliberar plataformes o satèl·lits a l’espai que duen incorporats diferents sensors i instruments que monitoritzen l’estat de l’oceà o l’atmosfera. Aquests sensors capten la radiació emesa per la superfície terrestre en diferents freqüències d’ona que pot ser posteriorment processada i transformada en informació que podem analitzar.

A escala europea, l’organisme que s’encarrega de monitoritzar la Terra des de l’espai és l’Agència Espacial Europea (ESA) en el marc del programa Copernicus, dedicat a l’observació del nostre planeta. L’ESA ha desenvolupat un conjunt de missions anomenades Sentinel per posar en òrbita els seus propis satèl·lits.

Actualment, hi ha quatre missions Sentinel en òrbita:
Sentinel-1

Els satèl·lits d’aquesta missió segueixen una òrbita polar o heliosíncrona al voltant de la Terra, és a dir van del pol nord al pol sud, i viceversa. Registren imatges dia i nit independentment del temps atmosfèric. Duen incorporat un radar que permet captar imatges encara que hi hagi núvols.
Sentinel-2

Els satèl·lits de la missió Sentinel-2, igual que els de la Sentinel-1, segueixen una òrbita polar i duen incorporats un sensor multiespectral d’alta resolució que permet capturar imatges per monitoritzar la vegetació, el sòl, les masses d’aigua i les zones costaneres.
Sentinel-3

És una plataforma que incorpora multitud d’instruments per mesurar la topografia de la superfície del mar, la temperatura superficial terrestre i de l’oceà.
Sentinel-5P (Sentinel-5 Precursor)

Dissenyat per substituir el satèl·lit Envisat, que es va extraviar el 2012. Al seu torn, aquesta plataforma serà substituïda pel Sentinel-5, que s’enviarà el 2021. Els satèl·lits de la Sentinel-5 proporcionen dades atmosfèriques que monitoritzen la qualitat de l’aire, sobretot en relació amb els contaminants com l’ozó, el diòxid de nitrogen i el diòxid de sofre.

En el futur està previst que es posin en marxa tres missions Sentinel més:

Sentinel-4

És un satèl·lit Meteosat de tercera generació que monitoritzarà l’atmosfera del nostre planeta seguint una òrbita polar.

Sentinel-5

Com el Sentinel-4, també proporcionarà dades sobre la composició atmosfèrica. S’embarcarà en una nau espacial EUMETSAT Polar System (EPS).

Sentinel-6

Pretén mantenir les missions del satèl·lit Jason-2 sobre càlculs altimètrics d’alta precisió, tant de la superfície terrestre com dels oceans.

La família Sentinel i molts altres satèl·lits!

Aquí hem parlat especialment dels satèl·lits que pertanyen a l’Agència Espacial Europea (ESA), però n’hi ha moltes altres, com l’agència nord-americana, la xinesa o la russa, que tenen missions a l’espai. A més, en els darrers anys, han aparegut empreses i organitzacions que disposen de satèl·lits que orbiten al voltant de la Terra amb l’objectiu de capturar imatges del nostre planeta. Tot això ha provocat que hi hagi un munt de ferralla orbitant al voltant de la Terra; és el que coneixem com a ferralla espacial.

Vols saber-ne més sobre el programa Copernicus?

Reprodueix vídeo

Els sensors permeten captar el pols de la terra

Les bases de la teledetecció

La teledetecció és una tècnica que ens permet mesurar o adquirir dades de la superfície terrestre. Això és possible gràcies a uns sensors que compilen les imatges i van muntats sobre plataformes o aparells que volen per l’espai aeri, com els avions o els drons, o en plataformes espacials, com els satèl·lits. El principi bàsic de la teledetecció és capturar, a través dels sensors, la radiació electromagnètica que reflecteixen els objectes.

La Terra emet una radiació electromagnètica

La radiació electromagnètica és el conjunt d’ones electromagnètiques que es propaguen a l’espai des de la Terra. Els objectes de la Terra emeten aquestes ones ja que estan subjectes a una font d’energia (generalment procedent de la llum solar), que és la responsable d’aquesta emissió. Els sensors capturen la radiació que emeten els objectes després d’haver estat sotmesos a una font d’energia.

Hi ha dos tipus de sensors: els passius, que registren la radiació solar que els objectes reflecteixen, i els actius, que apliquen una radiació als objectes i en mesuren la reflexió.

Els sensors passius (esquerra de la imatge) depenen de la presència de la llum solar. Només es poden obtenir imatges si les condicions atmosfèriques permeten l’observació de la Terra. Per exemple, el Sentinel-2 opera per mitjà d’un sensor passiu.
Els sensors actius (dreta de la imatge) permeten obtenir imatges encara que hi hagi núvols o sigui de nit. Aquests sensors emeten radiació cap a la superfície terrestre i el reflex és enregistrat pel sensor. Un exemple d’aquest tipus de sensor és el radar que porta incorporat el Sentinel-1.

Espectre electromagnètic
Més enllà d’allò que pot percebre l’ull humà

L’ull humà només captura el rang de l’espectre electromagnètic que oscil·la entre 0,4 i 0,7 μm, és a dir, la llum o l’espectre visible. A l’esquerra i a la dreta de l’espectre visible se situen la radiació ultraviolada i l’infraroig, respectivament.

Les diferents regions de l’espectre electromagnètic poden proporcionar diferent informació sobre un mateix objecte. Per detectar el reflex dels objectes en aquestes regions o longituds d’ona necessitem sensors especialitzats que percebin més enllà del que el nostre ull humà pot percebre.

Els sensors que porten els satèl·lits permeten captar la radiació electromagnètica des dels raigs ultraviolats fins als raigs infraroigs; més enllà d’aquestes longituds d’ona necessitarem sensors encara més especialitzats, com Radarsat, Era 1 i Era 2 o la missió SRTM (Shuttle Radar Topography Mission).

La signatura espectral: l'empremta dactilar de cada objecte.

Cada objecte té una signatura espectral o percentatge de reflectància en cada regió de l’espectre electromagnètic. Dit d’una altra manera, la signatura espectral és l’empremta dactilar que caracteritza cada objecte de la superfície terrestre. Així, per exemple, la neu tindrà una signatura espectral diferent de la que té la vegetació o l’aigua, ja que la reflectància d’aquestes darreres serà diferent.

D’aquesta manera, a través de la teledetecció podem discriminar o identificar les diferents cobertures o usos del sòl com ara la vegetació sana o la vegetació cremada després d’un incendi o bé les masses d’aigua després d’un episodi d’inundacions.

 

Imatges multiespectrals

Com ja s’ha dit, la majoria del satèl·lits capturen informació en diferents bandes o rangs de l’espectre electromagnètics, no només de l’espectre visible com serien les bandes de color vermell, verd i blau (RGB – Red, Green, Blue per les seves sigles en anglès) sinó que també permeten captar imatges de la radiació ultraviolada fins l’infrarroig proper i d’ona curta. Aquestes bandes es poden combinar obtenint el que coneixem com a imatges multiespectrals.

Les imatges multiespectrals ens permeten visualitzar característiques d’un objecte i diferenciar-los d’altres que a simple vista semblarien iguals, com seria el cas del grau d’humitat de la vegetació o la vegetació cremada després d’un incendi.

En el cas del Sentinel-2 del programa Copernicus té 13 bandes diferents cada una amb unes capacitats concretes.

Imatges de color real
o true color

Si les bandes corresponents al rang del vermell, verd i blau es filtren a través de canals RGB respectivament s’obté una imatge en color real, la qual mostra els objectes tal i com els veiem amb els nostres ulls. En el cas del Sentinel-2 aquesta combinació d’imatges seria la 4,3,2.

Imatges de false color
o false color

En canvi si volem detectar els incendis forestals haurem de combinar la banda de l’infraroig de longitud d’ona curta (SWIR o Short-wave infrared) al canal vermell, la banda d’infraroig proper (NIR o Near infrared) al canal verd i la banda de llum vermella al canal blau. És el que s’anomena imatge de fals color. Aquesta combinació de bandes és la 12,8,4 segons la numeració de bandes del Sentinel-2.
Before After
Incendi al Parc Nacional Pantanal de Otuquis, frontera entre Bolívia, Paraguai i Brasil, el 28 d’agost de 2019. A l’esquerra, combinació de bandes en color natural (4-3-2) i a la dreta, en fals color (12-8-4). CC BY 4.0 Sentinel Hub EO Browser.