Autores: María J. Entrena; José Gutiérrez/ Centro de Procesamiento Digital de Imágenes (CPDI) FIIDT.
Introducción
Para hablar de Espectroradiometría es necesario comenzar definiendo los elementos claves que se manejan en la aplicación de esta técnica y desarrollo como línea de investigación.La Radiometría es la ciencia de la medición de radiación electromagnética (EM). El amplio espectro cubierto por la ciencia de la radiometría se basa en varios conceptos físicos. Las propiedades que son objeto de interés son la energía radiada y sus distribuciones espaciales y angulares.
Definición de conceptos básicos.
Flujo Radiante
Es el total de energía radiante emitida por una fuente o recibida por una superficie. También puede ser definido como el cociente entre la energía en forma de radiación en todas sus direcciones y el intervalo elemental del tiempo. La unidad internacional de flujo de radiación es Watt.
Intensidad Radiante.
Es definida como la densidad angular dirigida de radiación desde una fuente. La intensidad de radiación en una dirección determinada es la suma de la energía contenida en todos los rayos (conos) emitidos en esa dirección por toda la fuente (ej. energía por ángulo sólido). La unidad SI de la intensidad radiante es Watt/Estereorradián (Watt/sr).
Irradiación
Es la medición de flujo radiante incidente sobre la superficie de un objeto (flujo radiante por unidad de área). La unidad SI de irradiación es Watt/Metro Cuadrado (Watt/m2)
Radiación
Es la medición de la intensidad radiante total por unidad de área proyectada. La unidad para radiación es Watt/ metro cuadrado estereorradián (Watt/m2 sr).
Espectroradiometría.
La espectrometría es la medición de energía de luz a longitudes de ondas individuales dentro del espectro electromagnético. Puede ser medida sobre todo el espectro o dentro de una banda específica de longitud de onda. Vaughan (2001) define la espectrorradiometría como la medición cuantitativa de radiancia, irradiancia, reflectividad o transmisividad sobre el terreno. Milton et al. (1995) la definen como la medida de la reflectividad espectral (relación entre el flujo incidente y el reflejado por una superficie) de cualquier superficie en su entorno natural. Lo anterior lleva implícito el estudio de las interrelaciones entre las características espectrales de la misma y los atributos biofísicos que miden cantidades radiométricas de haces de luz dispersados desde la superficie de la muestra. Normalmente es una técnica pasiva, es decir que procede de un foco externo, habitualmente la radiación solar.
Radiación Espectral
La radiación de una fuente de luz es un valor simple que representa la suma de toda la energía medida sobre un espectro. La radiación espectral es el valor individual de la radiación para una determinada longitud de onda en nanómetros (nm). La unidad SI para radiación espectral es Watt/Metro Cuadrado Estereoradián Nanómetro (Watt/m2 sr nm).
Irradiación Espectral
Es la medición de la intensidad total radiante por unidad proyectada de área. La unidades SI de irradiación espectral es Watt/ metro cuadrado nanómetro (Watt/m2.nm).
-Aplicaciones de la Espectroradiometría
La percepción remota o teledetección (como también es conocida) ofrece una solución viable para disminuir los costos asociados con la detección de estrés en plantas a diferentes escalas en campos como la agricultura. La radiación solar interactúa con muchos de los compuestos importantes para el crecimiento y desarrollo de los cultivos, resultando en características de reflectancia identificables. Los que contribuyen con la reflectancia comúnmente son clorofila, agua, proteínas y materiales de la pared celular. La deficiencia de nitrógeno disminuye el rendimiento y calidad al limitar la síntesis de aminoácidos y clorofila. Los síntomas visuales por estrés de nitrógeno incluyen clorosis de la planta y senescencia de las hojas (Marschner, 1995). La percepción remota, inicialmente empleada para monitorear la salud de cultivos de alto valor comercial, ahora es práctica recurrente para uso en cultivos agrícolas en general.
Los datos de campo espectrorradiométricos están haciendo una contribución cada vez más importante a la ciencia y a los sistemas de vigilancia a través de la asimilación de las mediciones espectrales in situ (Schaepman, 2007). Un componente significativo y determinante del éxito de tales sistemas basados en la asimilación es la calidad de los datos proporcionados por los instrumentos (distribución espacial, la calibración, las incertidumbres de medición, eliminación de ruidos etc.)
Inicialmente esta técnica se utilizó para estudiar la visión humana del color, y en particular, el color de la superficie de la Tierra desde el aire (Penndorf, 1956). En el año de 1964, en sus inicios, la espectrorradiometría se utilizó en espectroscopia NIR (Infrarrojo Cercano), con el fin de determinar el contenido de humedad en cereales.
En los últimos años la espectrorradiometría se ha desarrollado de una manera importante, diseñándose aplicaciones para casi todas las áreas de las ciencias de la Tierra (Fabregat, 1999). Los beneficios y ventajas que presenta la técnica tales como localización de espacios geográficos, observación de fenómenos temporales e integración de resultados en un sistema de información geográfica hacen de esta técnica una herramienta muy valiosa para la investigación. Dentro de sus aplicaciones se incluyen la discriminación de los tipos de vegetación y especies de plantas, entre otras más.
Schmidt y Skidmore (2003), realizaron el monitoreo cartográfico de los tipos de cobertura vegetal en un humedal de Holanda. El estudio concluyó que la calibración radiométrica de alta calidad permitió que las especies de la vegetación pudieran ser identificadas a partir de bibliotecas espectrales.
Manevski et al. (2012) estudiaron cinco especies de Phrygana y Maquis en el Mediterráneo por medio de espectrorradiometría de campo. Estas especies son indicadoras directas de la gestión del pastoreo, historia de fuego y su gravedad, y el estado de equilibrio del ecosistema. Los resultados indicaron que la mayor resolución espectral de los sensores hiperespectrales ofrecía posibilidades para la discriminación espectral entre cinco plantas comunes del Mediterráneo, además, que la mayoría de las especies pudieron ser discriminadas entre sí a lo largo del espectro investigado. Los resultados apoyan la utilización de la base de conocimientos derivados de las mediciones de campo para los análisis de detección a distancia de datos de aire y espaciales adquiridos para mejorar la capacidad del sensor para discriminar entre las cinco especies mediterráneas.
Tahir (2005), realizó en Canadá un estudio orientado a analizar la presencia de hierbas malas en cultivos de maíz a partir de imágenes hiperespectrales obtenidas por espectrorradiometría de campo.
Domínguez (2013), realiza un modelo fitosanitario mediante la utilización de espectrorradiometría de campo aplicada a las firmas espectrales de plantas de limón mexicano (Citrus aurantifolia) infectados y sanos en el estado de Michoacán, México. Los resultados obtenidos respaldan la aplicabilidad de las geotecnologías en el sector agrícola y demuestran el alcance que tiene en breves periodos de tiempo cubriendo una extensión de cultivo. Por esta razón la utilización de la Espectroradiometría puede ser el punto de partida para convertir el modelo fitosanitario tradicional en un modelo fitosanitario de precisión.
La Espectroradiometría de campo demuestra ser una técnica útil para la construcción de las firmas espectrales de especies vegetales. La curva reflectancia entre los 400 y 900 nm permite la diferenciación entre cada una de las especies. Castro (2013) utiliza la técnica de espectrorradiometría para realizar la definición de firmas espectrales para delimitar las fases cartográficas de suelos. El análisis de las firmas espectrales se usa para localizar áreas de concentración de sales y detectar los cambios que ocurren en el tiempo y el espacio (Mattermicht y Zinck 2003). No resulta sencillo establecer el conjunto de relaciones entre las propiedades de las fases de los suelos y sus firmas espectrales, ya que son muchos los factores que inciden en la variabilidad espectral y espacial, por lo que resulta necesario el mantenimiento de líneas de investigación para la evaluación de los suelos que a partir de estas técnicas no invasivas, aporten resultados rápidos para el estudio, conservación y mejora de los suelos.
Guerra (2015) aplica la espectrorradiometría para la identificación de la mineralogía de los depósitos minerales en las diferentes etapas de exploración. El análisis mediante esta técnica permite el conocimiento de las zonas mineralizadas, apoyando en la comprensión de la distribución espacial del mineral. Además del mapeo mineralógico, el análisis mediante la técnica de espectrorradiometría permite la cuantificación de los minerales identificados. El proceso de cuantificación puede ser efectuado mediante la correlación de los datos espectrales con las bibliotecas espectrales, que presentan las firmas de las muestras con su composición mineralógica conocida o mediante la correlación de los datos espectrales (firmas espectrales) con datos independientes como la fluorescencia de Rayos-X.
CPDI (2018) realiza el procesamiento de muestras de roca con litología asociada a minerales diagnósticos de Coltán para la fase de prospección mineral en dos áreas ubicadas al suroeste del Arco Minero en Venezuela. Donde se aplicaron correlaciones como las establecidas por Guerra (2015) obteniendo resultados interesantes en las áreas muestreadas por la técnica de espectrorradiometría en referencia a la presencia del mineral Coltán, correlacionadas luego con datos resultados de geoquímica.
En conclusión, se considera importante el desarrollo de esta línea de investigación, ya que representa una técnica que arroja resultados interesantes y relevantes en los elementos presentes en la superficie terrestre y apoyo en los análisis de las ciencias ambientales.
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Contacto: mariajoseentrena@gmail.com; jose.gutierrezb@gmail.com