Importancia de la aplicación de las firmas espectrales para la calidad del agua

Importancia de la aplicación de las firmas espectrales para el monitoreo y seguimiento de la
calidad del agua en cuerpos superficiales de agua.
Elaborado por: Ana Milena Arenas Coronado.
Estudiante de Ingeniería Ambiental
aarenasc@ucentral.edu.co
En general los sistemas convencionales de monitoreo y seguimiento de calidad de agua de
cuerpos superficiales, requieren una gran inversión en personal, equipo, tiempo y análisis de
laboratorio. Lo que en algunos casos, impide que puedan hacerse periódicamente (al ser discreta,
se limita a la toma puntual para su posterior análisis en el laboratorio) y generan una ruptura en la
trazabilidad de la información y pérdida datos históricos, los cuales pueden llegar a ser útiles o
importantes para el análisis del impacto ambiental en determinada región antes y después de un
evento o proceso.
Desde tiempos inmemorables, la captura de imágenes ha permitido el análisis de los elementos de
un área específica a través de la interpretación de su comportamiento espacial y temporal. Esta
captura de imágenes que ha hecho frecuente sobre coberturas vegetales, comportamientos
climáticos entre otros con tecnologías que van desde la fotografía aérea hasta los actualmente
conocidos satélites o sensores espaciales como Landsat, Quickbird, Ikonos por mencionar
algunos, que han permitido obtener un mayor nivel de detalle en diferentes bandas y sus
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combinaciones para llegar a niveles de detalle o resolución alto.
Por eso es tan importante empezar apoyarse en esta área del conocimiento denominada
sensoramiento remoto, ya que debido a sus características (entre ellas la espacialidad y la
temporalidad, ya mencionadas), permite un mayor análisis en grandes áreas con una frecuencia
periódica de toma de información.
Otras características importantes que tiene la información obtenida a través el sensoramiento
remoto son:
- La objetividad, se recoge mediante sensores calibrados.
- La periodicidad, pues se recoge incluso varias veces en el día y puede conservar un histórico.
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- La digitalización, por lo tanto, es susceptible de tratamiento informático .
Pero para entrar en los detalles de la aplicación de las firmas espectrales en calidad del agua, es
necesario tener claros algunos conceptos.
La teledección, percepción remota o sensoramiento remoto es el conjunto de técnicas y
tecnologías que permiten la captura de información de un objeto ubicado sobre la superficie
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terrestre, sin tener contacto directo con el . Esto es posible gracias la reflexión, refracción y
absorción de energía, proveniente de la luz solar, que genera cada objeto de la superficie terrestre
en distintas longitudes de onda (en el espectro electromagnético) denominada firma espectral o
huella espectral, siendo esta única para cada objeto. Esta energía expresada en longitudes de
onda es captada por sensores que se encuentra en satélites y/o aeronaves especializados.
Por lo anterior, es posible analizar datos de las imágenes provenientes de sensores remotos y
crear hipótesis bastantes precisas acerca de una cobertura, gracias a su firma espectral, la cual
tiene sus limitaciones ya que la toma de la imagen puede verse afectada en función de las
condiciones meteorológicas, de las estaciones del año y de las condiciones de iluminación entre
otros.
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2.
Los sensores remotos trabajando con diferentes bandas o longitudes de onda las más comunes están en el espectro
visible, infrarrojo, térmico y radar. Estos sensores están calibrados especialmente para que registren en dicha
longitud de onda o en varias generando imágenes multiespectrales y de alta definición.
Ecología
del
Paisaje
y
Modelación
de
Ecosistemas.
Unal.
http://www.ciencias.unal.edu.co/unciencias/web/dependencia/?itpad=0&niv=0&itact=1425&ti=false&dep=33. 23/08/12
3.
Adaptado de: Fundamentos físicos de Teledección. IGAC. 2007
Aplicaciones de firmas espectrales
Actualmente la aplicación principal de las firmas espectrales se encuentra en el campo de
coberturas vegetales, como en la caracterización de cultivos, estado vegetativo y de salud de los
mismos. Sin embargo hay estudios especializados como la caracterización de cultivos para la
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determinación de concentración de nitrógeno en plantas . También se encuentran estudios
relacionados con la minería como “Exploiting quartz spectral signature for the detection of cloud5
affected satellite infrared observations over African desert areas “ , por mencionar algún ejemplo.
Firma espectral del agua
Actualmente la respuesta espectral del agua depende principalmente de su pureza y de la
presencia de partículas en suspensión (aluviones, algas...). El agua pura tiene unas excelentes
propiedades en cuanto a transmisión de la radiación electromagnética en el espectro visible y de
absorción en el infrarrojo. En cambio la reflectancia presenta un pico en el verde que va
reduciéndose hasta el infrarrojo. Esta falta de reflectividad en el infrarrojo es clave para distinguir
entre áreas de tierra y agua tanto en costas o lagos como en ríos. Al incrementarse la profundidad
del agua la reflectancia desciende, en cualquier longitud de onda.
Cuando el agua presenta turbidez, las consecuencias sobre la respuesta espectral van a depender
del tipo de partículas en suspensión. Si se trata de fitoplancton, aparecen importantes alteraciones
en el verde (aumenta) y en el azul (disminuye).
La contaminación del agua por factores antopogénicos ha generado alteraciones negativas a nivel
físico, químico y biótico en dicho ecosistema y sus alrededores; características que pueden ser
relativamente identificables con la ayuda de los sensores remotos.
Para encontrar estas alteraciones, los estudios que se han hecho se enfocan en sólo uno de los
parámetros. Como es el caso de “Validación de firmas espectrales utilizando percepción remota en
la relación a los pigmentos asociados con cianobacterias en las Salinas de Cabo Rojo en Puerto
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Rico” , donde utilizaron las imágenes de los sensores Lansat ETM e Ikonos y por otra parte,
radioespectrómetros para la validación de datos en terreno. El estudio buscó validar la firma
espectral de organismo fotosintéticos presentes en las aguas del área de estudio y de esta manera
cuantificar la concentración de dichos microorganismos a partir de los vertimientos de agua
servidas presentes en dicha zona. Sin embargo, aunque los resultados obtenidos no fueron
contundentes, lograron ser la base para encontrar similitudes en otros estudios y encontrar los
puntos claves para identificar el comportamiento espectral de la clorofila y las características que
debería tener el satélite, para que en próximas ocasiones se obtuviera un mejor procesamiento de
imagen. “…. Recomendaciones en trabajos futuros, se pueden trabajar con sensores
hiperespectral, si sabemos espectrales ya que el ancho de banda es mucho menor, si sabemos
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que la clorofila tiene un tipo de reflectancia en 701 nm….”
Por otra parte el estudio llamado “La respuesta espectral del agua ante diferentes concentraciones
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de sedimentos orgánicos e inorgánicos de la Bahía de Santander” , desarrollado en España,
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utilizaron sensores aerotransportados como fuente de información de imágenes para hacer la
interpretación de los parámetros fisicoquímicos como el contenido orgánico total, tipo de grano,
humedad del sedimento, ph, plomo y zinc con apoyo de análisis de laboratorio.
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7.
PCA versus ICA for the reduction of dimensions of the spectral signatures in the search of an index for the
concentration of nitrogen in plant. F. Rodríguez-Moreno, Fernando Llera Cid. Localización: Spanish journal of
agricultural research, ISSN 1695-971X, Nº. 4, 2011 , págs. 1168-1175
Dialnet. http://www.teatrofaenza.com.co:2066/servlet/articulo?codigo=3790431. 23/08/12
Advance Geological Remote Sensing. http://gers.uprm.edu/geol6225/pdfs/h_weidisch.pdf. 06/09/2012
http://www.aet.org.es/congresos/xi/ten39.pdf. Autores E. Castillo, R. Ferrer, V. Bayarri., J Viguri. 27/08/12
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“Ya que permite configurar la resolución espacial y temporal según las necesidades del usuario”.
Dicho estudio, utilizó las propiedades del suelo (sedimentos por su similitud espectral) para inferir
en la calidad del agua como es el caso de los metales pesados “pese…, a que los metales que se
encuentran en bajas concentraciones, no tienen características espectrales importantes en el
visible y en el infrarrojo cercano (VNIR)…,si se relacionan espectralmente con otras propiedades
del suelo que si son espectralmente activas y se pueden predecir las contracciones de metales……
Se ha comprobado que los sedimentos son una herramienta importante para medir el impacto del
hombre sobre el medio”.
En este caso, al hacer una correlación estadística entre el parámetro analizado y el tipo de suelo,
ayudó a corroborar el comportamiento espectral de los sedimentos. Tabla 1
Tabla 1.Correlacion existente entre algunos parámetros analizados
De esta manera, el potencial que tiene el campo de las firmas espectrales para el monitoreo y
seguimiento de la calidad del agua de cuerpos superficiales es amplio, debido a sus casi ilimitadas
aplicaciones y líneas de trabajo.
Están aquellas asociadas con la elaboración de la firma espectral de un patrón específico, bajo
unas condiciones específicas y en un lugar específico. Por otra parte, las relacionadas con la
calibración de equipos y otra relacionada con la interpretación y verificación de esa firma espectral.
Con respecto a la primera el profesor Thomas P. Huber, de la Universidad de California, en su
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artículo “Spectral Signatures in the Classroom” , resalta la importancia de la elaboración de
bibliotecas de firmas espectrales, las cuales pueden ser construidas a bajo costo y con un relativo
nivel tecnológico en centros educativos como universidades.
Sin embargo ya existen algunas de estas llamadas bibliotecas de firmas espectrales como la de
ASTER que contiene una compilación de más de 2.000 firmas espectrales. Además incluye datos
de otras tres bibliotecas espectrales públicas de la Universidad Johns Hopkins (JHU), Laboratorio
de propulsión de la NASA (Jet Propulsion Laboratory –JPL) y el Servicio Geológico de los Estados
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Unidos
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10.
Proquest. http://www.teatrofaenza.com.co:2096/docview/216840014/138BC54A0FF7A5C9876/20?accountid=34622.
23/08/12
ASTER spectral library. http://speclib.jpl.nasa.gov/. 247/08/12
Colombia puede desarrollar potencialmente la tercera línea de trabajo, ya que la mayoría de las
veces hay un volumen alto de información pero poco personal para el manejo e interpretación de
imágenes satelitales y esto es respaldado por el concepto quemaneja la Comisión Colombiana del
Espacio que menciona lo siguiente: “..Los sensores remotos ofrecen información que permite
realizar la evaluación y monitoreo de las cuencas hidrográficas, un tema de gran importancia por
constituir la unidad básica para la gestión del recurso…..En cuanto a la calidad de agua, los
sensores remotos ofrecen la posibilidad de monitorear aspectos relacionados tales como el cambio
de uso del suelo o evidencias de eutrofización. Recientemente, se viene desarrollando
investigaciones en las que se calculan índices espectrales que pueden ser usados para estimar
variables indicadoras de la calidad del agua (ej. clorofila a, turbidez, sólidos disueltos). Estos
índices se obtienen mediante la correlación entre los datos in-situ y las bandas espectrales de
imágenes multiespectrales e hiperespectrales. Las investigaciones relacionadas con estos índices
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requieren aún de investigación y validación en condiciones particulares” .
Bajo este contexto las universidades que tienen carreras con afinidad a temas ambientales, se
convierte el sensoramiento remoto en una herramienta muy útil en la competitividad de los futuros
profesionales y contribución para el desarrollo y el avance científico.
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http://www.cce.gov.co/web/guest/areas_tematicas_ambiental. 27/08/2012