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Notiviernes INTERMIN
Centro de Información y Divulgación Técnica Minero Ambiental
CENTRO NACIONAL MINERO - SENA Regional Boyacá
Edición 8 - Año 4
Abril 6 de 2001

EXPLORACION MINERA

Imágenes de Satélite y Otros Datos Satelitales

Sistemas de Remote Sensing y Datos Obtenidos por ellos

 

Sistemas de remote sensing

Aparte del ojo humano se distingue dos tipos principales de sistemas de remote sensing:

‘Framing systems’ y ‘scanning systems’.

Framing systems

‘Framing systems’ instantáneamente producen una imagen de un área como cámaras y vidicóns. Las lentes de una cámara por ejemplo producen una imagen del área en su plano focal, en que la imagen está proyectada nítidamente. La imagen se graba en un rollo en el momento, en que la luz puede pasar a la cámara para exponer el rollo. La sensibilidad de los rollos varia de 0.3 a 0,9 µm (partes ultravioletas, luz visible, parte reflejada infrarroja). El vidicón es una cámara de televisión, que graba la imagen en una superficie fotosensible y cargada electrónicamente. Un rayo electrónico explora esta superficie para detectar la disposición de las diferencias en la carga electrónica, que constituye la imagen. El rayo electrónico produce una señal, que se puede transmitir y grabar en una cinta magnética. Algunos vidicóns son sensibles para la parte térmica infrarroja.

Scanning systems

Un ‘scanning system’ se constituye de un detector caracterizado por un campo visual estrecho, que se mueve en líneas paralelas (‘scan lines’) sobre y encima del terreno para producir una imagen. Fotones de energía electromagnética emitidos o reflejados del terreno llegan al detector produciendo una señal eléctrica, que varia en proporción a la cantidad de fotones. La señal se amplifica y se graba en una cinta magnética.

Términos descriptivos, empleados para caracterizar ‘scanning systems’

Resolución espectral se refiere al intervalo de longitud de onda captado por el detector de un ‘scanning system’. Resolución espectral o ‘ancho de la banda’ es el intervalo de longitud de onda en que la repuesta del detector es >= 50% (véase diagrama longitud de onda en el eje x, repuesta del detector en % en el eje y), Fig.1-13.

Resolución espacial es la distancia mínima entre dos objetos uno al lado del otro, en que dos objetos aparecen distintos y separados.

Instantaneous field of view IFOV = campo visual instantáneo es el ángulo formado por los ‘rayos electromagnéticos’ los más exteriores captados por un detector de un ‘scanning system’. El campo visual instantáneo junto con la altura del detector determina el área del terreno explorado en un instante de detección (= ‘ground resolution cell’ o celda básica de resolución), Fig.1-16.

Angular field of view = campo visual angular determina la línea del terreno explorada y es medida como un ángulo en grados.

Ground swath = longitud de la línea del terreno explorada: ground swath = tan(campo visual angular/2) x altitud x 2, Fig.1-16.

Por su altura grande para satélites el campo visual angular puede ser estrecho para cubrir una línea del terreno ancha.

La intensidad de la señal generada por el detector es una función de los factores siguientes:

El flujo de energía: La cantidad de la energía reflejada o emitida por el terreno.

La altitud: La cantidad de la energía, que recibe el detector es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia (altitud).

El ancho de la banda espectral: La señal es más intensa para detectores, que responden a una banda espectral más ancha.

El campo visual instantáneo: Para lograr una resolución espacial alta, el campo visual instantáneo tiene que ser pequeño, a lo cual corresponde una señal de baja intensidad.

Dwell time: Es el tiempo, que necesita el detector para captar una celda básica de resolución o es decir el área mínima, que se puede distinguir y presentar separadamente en la imagen correspondiente. Con un ‘dwell time’ largo puede llegar más energía al detector, de que resulta una señal de alta intensidad.


Los cuatro tipos comunes de ‘scanning systems’ son

Cross track scanner

Se constituye de un espejo faceteado, que gira por medio de un motor eléctrico con un eje de rotación horizontal alineado paralelamente a la dirección del vuelo. El espejo faceteado se mueve sobre y encima del terreno en líneas paralelas orientadas perpendicularmente a la dirección del vuelo. La energía emitida y/o reflejada por el terreno se enfoca al detector por espejos secundarios. En la fig 1-13 la resolución espectral del detector o el ancho de banda respectivamente es 0,60 µm - 0,50 µm = 0,10 µm. Las celdas básicas de resolución, que forman una línea explorada, son de diferentes dimensiones según la posición del detector, es decir de tamaño mayor en la periferia, de tamaño menor en el centro de una línea, Fig.1-12. El tiempo, que necesita el cross track scanner para detectar una celda básica de resolución se calcula:

Dwell time = velocidad para cubrir una línea / cantidad de celdas básicas en una línea.

El ‘dwell time’ de un ‘cross track scanner’ se determina por el campo visual instantáneo del detector y por la velocidad, conque el espejo se mueve sobre y encima del terreno. Por ejemplo un típico cross track scanner aeroportado en una altitud de 10 km sobre el terreno con un campo visual instantáneo de 1 mrad y un campo visual angular, que consume un tiempo de 0,02s para explorar una línea de terreno, necesita un tiempo de 0,00001s ('dwell time') para detectar una celda básica de resolución. En lo siguiente comparamos la velocidad del avión con el 'dwell time' del detector con una velocidad típica de 720km/h = 200m/s el avión pasa los 10m de una celda básica de resolución en 0,05s, por consiguiente el 'dwell time' del detector de = 0,00001s es 5000 veces más corto. Por el ‘dwell time’ corto el detector recibiría una señal de intensidad baja, que se puede aumentar por medio de un campo visual instantáneo largo y de un ancho de banda grande.

Circular scanner

En un scanner circular el motor y el espejo están alineados con un eje vertical de rotación, que se mueve en forma circular sobre y encima del terreno. Solamente la parte frontal explorada se graba para formar una imagen. La distancia entre scanner y terreno es constante y todas las celdas de resolución tienen las mismas dimensiones. Como los métodos de procesar los datos para formar imágenes fueron desarrollados para los datos de scanners lineares, los datos de scanners circulares tienen que ser transformados antes de su procesamiento. Un scanner circular se utiliza para una investigación de reconocimiento.

Along-track scanner

Se constituye de varios detectores, que cubren completamente una línea explorada (= ‘line scan’). Para cada celda básica de resolución de una línea de terreno se ocupan un otro detector. De tal manera se puede aumentar el tiempo para detectar una celda básica de resolución ('dwell time'). Los detectores están alineados en el plano focal de la imagen por un sistema de lentes. El eje longitudinal de la alineación de los detectores es perpendicular a la dirección del vuelo. Por el 'dwell time' largo el ‘along track scanner’ produce imágenes de altas resoluciones espacial y espectral. El 'dwell time' de un along track scanner se calcula:

Dwell time = ancho de la celda básica / velocidad.

El ’dwell time’ para una celda básica de resolución es determinado solamente por la velocidad del avión o del satélite. Por ejemplo para un avión de la velocidad de 720km/s = 200m/s el ‘dwell time’ del ‘along track scanner’ para una celda básica de resolución de 10m de ancho es 0,05s, que es 5000 veces más largo que el ‘dwell time’ de un ‘cross track scanner’ moviéndose con la misma velocidad (0,00001s). Por esto los detectores de un ‘along track scanner’ pueden ser de un campo visual instantáneo más pequeño o es decir de una resolución espacial más fina, y pueden ser caracterizados por un ancho de banda más estrecho o es decir de una resolución espectral más alta.

Side scanner

Son sistemas activos. Un sistema radar por ejemplo transmite pulsos de energía de la región de microondas dirigidos a la línea del terreno explorado y detecta la energía esparcida por el terreno. Un sistema sonar por ejemplo transmite pulsos de energía sonar en el mar para realizar batimetría.

 Comparación entre ‘cross track scanner’ y ‘along track scanner’

Tipo de scanner
Cross track scanner
Along track scanner
Campo visual instántaneo Más ancho Más estrecho
Línea explorada Más ancha Más corta
Sistema mecánico Complejo Sencillo
Sistema óptico Sencillo Complejo
Dwell time Más corto Más largo
Rango espectral del detector Ancho Estrecho
Resolución espectral Menor Mayor
Resolución espacial Menor Mayor

 

La selección del scanner adecuado depende de varios factores como por ejemplo de los objetivos de los estudios de las imágenes. Debido a su campo visual angular ancho el cross track scanner explora una ancha línea de terreno. Por esto se lo aplica preferentemente en estudios de reconocimiento de un área. El along track scanner con sus altas resoluciones espacial y espectral se emplea de preferencia para estudios detallados.


Curvas de reflectancia espectral

Aparte de las imágenes se puede obtener otras informaciones de los scanning systems, como por ejemplo las curvas de reflectancia espectral o los espectros reflectantes, que delinean el porcentaje de energía incidente, que es reflejado por la materia (eje y) en función de la longitud de onda de la energía (eje x). Las curvas de reflectancia son validas para reconocer la materia como por ejemplo diferentes tipos de minerales y rocas (véase fig. 1-17) en imágenes de ‘remote sensing’. Los altos de la curva se denominan altos de reflectancia (reflectance peaks), los valles de la curva se denominan bandas de absorción (absorption features). En el terreno o en el laboratorio los espectros de reflectancia se obtiene por espectrómetros de reflectancia, cuyos resultados se puede comparar con los espectros de reflectancia sacados del ‘scanning system’ teniendo en cuenta, que las celdas básicas de resolución de los dos instrumentos varían mucho en su tamaño (espectrómetro del laboratorio con celda más pequeña - algunos cm2 - en el caso del espectro de reflectancia, celda básica de resolución de un típico cross track scanner es 10 x 10m2).

Ejemplo: Espectroscopía reflectante aplicada a minerales de alteración en Mina La Coipa, III Región, Chile. Trabajo de Memoria de Sanny Legua Olivares.

En la mina La Coipa se emplea un espectrómetro de reflectancia portátil en el levantamiento geológico de zonas de alteración, que en La Coipa y su alrededor frecuentemente son asociadas con depósitos minerales de plata y oro. Muchos de los minerales típicos de alteración de depósitos de oro y plata como los sulfatos alunita (sulfato de potasio y aluminio) y jarosita (sulfato de Fe3+) y distintos minerales arcillosos como dickita, caolinita y pirofilita son muy similares en su apariencia macroscópica, lo que dificulta su identificación en terreno. En lo contrario sus espectros de reflectancia como repuestas a ondas cortas infrarrojas incidentes en ellos difieren apreciadamente entre sí (véase fig., memoria de LEGUA, S., 1989, p.17). El espectrómetro de reflectancia hace uso de las ondas electromagnéticas infrarrojas cortas (= SWIR, banda de 1,3 a 2,5 µm), conque se puede identificar y distinguir especialmente los minerales de alteración arriba mencionados típicos para depósitos de oro, plata y cobre.

Los rasgos de absorción espectral observados por medio del espectrómetro infrarrojo portatil (PIMA) como rango espectral de la onda corta infrarroja son los resultados de combinaciones y sobretones de vibraciones a lo largo de la onda corta infrarroja. Estas absorciones se deben a los bandeamientos y estiramientos de las ondas en las moléculas de los minerales, lo que da origen a la absorción presentada con respecto a la onda corta infrarroja empleada. Estas absorciones incluyen los rasgos de hidroxilo, agua, carbonato, amonio y de los grupos Al-OH, Mg-OH y Fe-OH.

La reflectancia de una muestra mineral o rocosa se mide desde su superficie un intervalo de 30 a 60s. El sensor de medición tiene un diámetro de aproximadamente 10mm. Un PC incorporado a un costado del sensor de medición se encarga de entregar los espectros, especialmente en terreno obteniendo resultados inmediatos. El instrumento está equipado con una fuente de luz interna con características similares a la luz del día. Se puede energizar el espectrómetro conectándolo a la red de 220 Volt, con dos baterías de 6 Volt cada una o al encendedor de cigarrillos de vehículos. Los resultados se compara con curvas de patrón obtenidas a partir de mediciones de los minerales puros en el laboratorio. Factores, que influyen la calidad de la medición son los siguientes:

El contenido en agua: a partir de una muestra seca se obtiene una curva espectral mejor definida en comparación a una muestra húmeda, en la cual el agua contribuye a la curva espectral.

El tamaño de grano del mineral en identificación: un conjunto de un solo tipo mineral muy fino o es decir un polvo del mineral generalmente entrega curvas espectrales más claras.

La composición de la muestra: de un solo mineral se obtiene una curva espectral típica para este mineral, de varios minerales se obtiene una curva formada por la superposición de las repuestas de los varios minerales.

El intervalo de tiempo de medición: debe ser entre 30 y 60s.

Las ventajas del espectrómetro de reflectancia son la rapidez de la identificación de minerales específicos típicos de alteración, su portabilidad y las varias aplicaciones como en un levantamiento geológico y en un estudio comparativo de resultados de scanners de satélites con espectros obtenidos en laboratorios a través de dicho espectrómetro. El espectrómetro de reflectancia entrega sólo resultados cualitativos acerca del contenido de una muestra en algunos minerales típicos de alteración, no puede entregar datos cuantitativos, ni puede identificar claramente cualquier sustancia con una curva espectral poco característica para el rango empleado de longitud de onda entre 1,3 y 2,5 µm.

Sistemas para formar imágenes multiespectrales

Imágenes multiespectrales se produce por la combinación de imágenes, en que se graban diferentes intervalos de longitudes de onda o diferentes bandas espectrales. Tres bandas de longitud de onda se pueden combinar para formar imágenes en color. Se utilizan los sistemas para formar imágenes multiespectrales ampliamente en satélites. Se obtiene las imágenes multiespectrales por ‘framing systems’ y por ‘scanning systems’.

En los ‘framing systems’ se alinea varias cámaras o vidicons juntos para producir múltiples imágenes simultáneas. Los sistemas originarios multiespectrales eran las cámaras multiespectrales, que producen fotos en blanco-negro constituyéndose de bandas espectrales estrechas. Hay dos modos de función para los vidicóns multiespectrales:

Dos o más sistemas graban imágenes a diferentes bandas de longitudes de onda.

Un sistema graba bandas múltiples.

Hay varios tipos de vidicóns: 1. vidicóns, que graban bandas estrechas en las regiones visibles y infrarrojas reflejadas. 2. Un sistema de dos vidicóns, que graba bandas rojas y infrarrojas reflejadas (por ejemplo para el análisis de basureros casuales). 3. Sistemas, que graban tres o cuatro bandas (azul, verde, roja y infrarroja reflejada).

Los ‘scanning systems’ multiespectrales, tanto ‘cross track scanner’ como ‘along track scanner’ se utilizan en aviones y en satélites. ‘Cross track scanner’ (fig. 1-19) emplean un espectrómetro para dispersar la energía incidente formando un espectro y detectores graban las bandas de longitudes de onda especificas. La tabla 1-5 ilustra las 10 bandas detectadas por un cross track scanner multiespectral de la empresa Daedalus y los intervalos de longitud de onda correspondientes. Los ‘along track scanners’ (fig 1-19) emplean detectores alineados en líneas paralelas y cada línea de detectores graba una banda espectral. Se los utilizan por ejemplo en el satélite SPOT. También existen ‘side scanning radar systems’, que graban dos o más longitudes de onda en la región de microondas.

Un hyperspectral scanning system es un scanner multiespectral, que puede grabar hasta unas 10 bandas de 0,01µm de ancho, mientras que los ‘scanning systems’ convencionales pueden grabar hasta 10 bandas de 0,10µm de ancho. Las imágenes producidas por ‘hyperspectral scanning systems’ se graban en forma digital. Un tipo de ‘hyperspectral scanner’ es el AVIRIS hyperspectral scanner - AVIRIS significa ‘airborne visible/infrared imaging spectrometer’, que produce 224 imágenes, cada una graba una banda de 10nm ancho. Además se puede convertir las bandas estrechas de cada imagen en un espectro de reflectancia, que puede ayudar en la identificación de la materia, que constituye el terreno. Fig. 1-24 ilustra los espectros de tres minerales - caolinita, un mineral arcilloso, alunita, un sulfato de Al y buddingtonita, un feldespato de amoníaco (NH4)[AlSi3O8]. En detalle se trata de los espectros, que se fundan en todas las bandas grabadas por el sistema AVIRIS (líneas continuas) y de los espectros medidos por un espectrómetro en el laboratorio. Para cada mineral fue delineado el porcentaje de reflectancia en función de la longitud de onda. Los espectros obtenidos de los mismos minerales por los dos diferentes métodos desvían entre sí. Los espectros obtenidos por el sistema AVIRIS son influidos por otros materiales, que constituyen el área del terreno detectado, mientras que los espectros del laboratorio son espectros de los minerales puros.


Bibliografía

LEGUA OLIVARES, S. (1998): Espectroscopia reflectante aplicada a minerales de alteración an mina "La Coipa", III región, Chile. - Memoria no publicada, UDA.

SABINS, F.F. (1996): Remote Sensing. - 494p., New York (Freeman and Company).


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