Una guía de bandas, o como entender el uso de bandas espectrales en Teledetección

El estudio de bandas espectrales es un campo sobre el cual reposa el desarrollo de muchos campos de la ciencia. Desde medir el impacto de la contaminación en nuestro medio ambiente a determinar con exactitud la distancia entre nuestro hogar y la estrella más lejana, el espectro de la luz nos ilumina.

El entender conceptos como curvas de reflectancia, bandas espectrales, firmas espectrales no fue fácil, pero lo que más me sorprendió fue lo complicado de encontrar información útil, accesible y directa que permita interpretar toda la información que una firma espectral nos aporta para la clasificación de imágenes. Hasta que encontré a GISGeography.com. En una de sus entradas se nos presenta la Hoja de trucos de firmas espectrales (The Spectral Signature Cheatsheet) , en la cual se explicaba con total naturalidad y sencillez todos estos conceptos que, a pesar de estar en inglés, los puso al alcance de un iniciado en el tema como yo.

En esta entrada se presentan estos conceptos bajo una estructura similar a la página original a modo de agradecimiento a ese gran aporte, y de cierta manera también pretende ser una extensión a su gran labor de difusión.

¿Qué es una banda espectral, de todos modos?

Gracias a nuestra atmósfera, solamente vemos porciones del espectro electromagnético. El siguiente gráfico presenta nuestra "ventana atmosférica"- la enrgía EM (en azul) es lo que somos capaces de ver en la Tierra.

Nuestros ojos solamente pueden ver la porción visible (rojo, verde y azul). Vegetación saludable (o clorofila) refleja más luz verde comparada con otras longitudes de onda. Esta absorbe más luz roja y azul. Esa es la razón por la cual nuestros ojos la ven como verde.

Pero tipos especiales de sensores pueden recoger otras formas del espectro EM invisibles al ojo humano. Por ejemplo, la vegetación tambien refleja incluso más la luz infrarroja cercana (NIR). La luz infrarroja cercana es invisible al ojo humano, pero los sensores puende recoger su banda espectral.

La hoja de trucos de firmas espectrales.

Una firma espectral dibuja todas las variaciones de la radiación EM reflejada como una función de su longitud de onda.

Por ejemplo, si quieres retirar la vegetación de una imagen multiespectral, la siguiente firma espectral muestra claramente que se debe enfocar nuestro esfuerzo en la banda del infrarrojo cercano.

Luego, el Normalized Diffference Vegetation indez (NDVI) puede ser una de las mejores opciones para normilizar nuestros datos.

Nada está escrito en piedra en lo que a clasificación de imagen se refiere.

Sin más preámbulos...

LA HOJA DE TRUCOS DE FIRMAS ESPECTRALES

Aerosol Costero (0.43 - 0.45 µm): como su nombre lo indica, la banda Aerosol Costero es particularmente útil en estudios costeros, barimétricos y en aerosol. La banda Aerosol Costero refleja azules y violetas y se está volviendo más común en sensores satelitales como Landsat-8 y WorldView-3. Algunas de las aplicaciones de su banda espectral son:

Población de ballenas.
Barimetría.
Aerosoles.

Azul (0.45 - 0.51 µm): Nuestros ojos pueden ver el reflejo de la luz azul. Dependiendo de la claridad del agua, la luz visible puede alcanzar profundidades de hasta 20-30 metros. Modifica tu firma espectral utilizando la banda azul para obtener imágenes de aguas profundas. Algunas de las aplicaciones son:

Imágenes de aguas profundas.
Tubos de humo, neblina atmosférica y nubes.
Nubes, nieve y roca.

Verde (0.53 - 0.59 µm): para muchos, verde significa naturaleza, plantas, árboles y bosques. Es lo mismo en teledetección. La porción verde cubre el pico de reflectacia de la superficie de las hojas (por lo tanto el color verde que vemos). Esto también significa que la reflectancia espectral es baja en las regiones azul y roja de espectro debido a la absorción de la clorofila durante la fotosíntesis. Aplicaciones:

Estado de las plantas y vegetación.
Floraciones de algas y cianobacterias.
Recreación urbana (parques).

Rojo (0.64 - 0.67 µm): Los suelos tropicales, el entorno construido y las características geológicas generalmente tienen contribución del rojo en su firma espectral. El rojo se usa en fórmulas como el Normalized Diffference Vegetation indez (NDVI) debido a la cantidad de luz roja y azul absorvida por las plantas. Se usa en:

Tipos de suelo y características geológicas.
Ambiente cultural y natural.
Absorción de la clorofila.

Amarillo (0.585 - 0.625 µm): la banda "amarilla" es relativamente nueva y se puede encontrar desde WorldView-2. Esta banda recolecta con mayor detalle la porción 0.585 - 0.625 µm del espectro. Simplemente, recoge la "amarillez" de un objeto en particular. Aplicaciones:

Enfermedades de insectos en coronas de árboles.
Clasificación de características.

Borde rojo (0.705 - 0.745 µm): el borde rojo está entre el infrarrojo cercano y el rojo. Para la clorofila, la porción roja absorbe fuertemente la luz mientras que la infrarroja cercana genera un fuerte reflejo. En la transición entre estas dos bandas espectrales está el borde rojo. Aplicaciones:

Salud y edad de las plantaciones.
Monitoreo de cultivos.

Infrarrojo cercano 1 o NIR-1 (0.76 - 0.90 µm): la reflectancia del infrarrojo cercano es una de las formas más potentes de clasificar vegetación saludable. Siempre es más fácil separar clases como el agua y la vegetación en la región del infrarrojo cercano. Esto se debe a su espectro, plantas saludables la reflejan, mientras que es más absorbida por el agua. Usos:

Contenido de biomasa.
Sitios arqueológicos.
Normalized Diffference Vegetation indez (NDVI).

Infrarrojo cercano 2 o NIR-2 (0.86 - 1.04 µm): existe un solapamiento significativo entre el infrarrojo cercano 1 e infrarrojo cercano 2. La diferencia principal es cuan poco afectada esta la banda del infrarroja cercano 2 por la influencia atmosférica. Aplicaciones:

Estudios de vegetación.
Fronteras entre tierra y cuerpos de agua.

Infrarrojo onda corta 1 o SWIR-1 (1.57 - 1.65 µm): esta banda puede ayudarnos a discriminar entre suelos secos y húmedos. También es usada en la firma espectral para geología y clasificación de suelos. SWIR también es conocida por su habilidad de penetrar nubes delgadas, humo y neblina mejor que las bandas visibles. Usos:

Contenido de humedad.
Penetración de nubes y humo.
Exploración mineral.

Infrarrojo onda corta 2 o SWIR-2 (2.08 - 2.35 µm): SWIR-2 tiene sus similitudes con SWIR-1, sin embargo es usada principalmente para imágenes de tipos de suelo, características geológicas y minerales como el cobre y los sulfatos. También es sensible a la vegetación y la variación de humedad en el suelo. La nieve y el hielo aparecen en tonos más oscuros. Aplicaciones:

Propiedades del agua.
Prácticas de irrigación.
Mapeo de minerales.

Pancromático (0.50 - 0.68 µm): Al igual que las películas en blanco y negro, las bandas pancromáticas reúnen toda la luz visible reflejada a la vez en un solo canal. Debido a que ve más luz a la vez, la resolución espacial es más nítida en contraste con la recolección de los canales rojo, azul y verde por separado. Por ejemplo, la banda pancromática de Landsat-8 tiene celdas de malla de 15 metros. Las otras bandas espectrales tienen una resolución de 30 metros, a excepción de la banda térmica. El único inconveniente con la banda pancromática es que no se puede diferenciar los colores. Usos:

Pansharpening.

Cirrus (1.36 - 1.38 µm): la banda cirrus toma su nombre debido a su especialidad en la detección de nubes cirrus. La atmósfera absorbe casi toda la banda cirrus, ya que el suelo es apenas visible. Se detectan y seleccionan nubes de gran altitud que no son visibles en otras bandas. Usos:

Nubes cirrus.

Infrarrojo térmico o TIRS-1 (10.60 - 12.51 µm): La banda infrarroja térmica ve el calor. El infrarrojo térmico de Landsat utiliza radiación emitida en lugar de radiación reflejada. Tiene una resolución más gruesa (100 metros) pero sigue siendo útil para comprender la temperatura de la superficie, los estudios nocturnos e incluso la monitorización de volcanes. Aplicaciones: