Las nuevas tecnologías en la investigación del medio ambiente 2012

UNIDAD 3: LAS NUEVAS TECNOLOGÍAS EN LA
INVESTIGACIÓN DEL MEDIO AMBIENTE

* Introducción
* Sistemas informáticos y simulación
medioambiental
* Sistemas de teledetección
* Sistemas globales de navegación por
satélite (GNSS)
* Sistemas telemáticos apoyados en la
teledetección

INTRODUCCIÓN

En los últimos 30 años el ordenador se ha
convertido en una herramienta de uso general

Internet
Internet

Todo ha contribuido a una
mejora en la cooperación
internacional y la creación de
comunidades virtuales de
trabajo,

Pero el 79 % de los
usuarios de Internet se
concentra en las
grandes ciudades de los
países industrializados Te
letra
(14 % de la población bajo
coop
mundial). erati
vo

SISTEMAS INFORMÁTICOS Y SIMULACIÓN MEDIOAMBIENTAL

1968
alida des en
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Creado po
Inician un proyecto de investigación sobre la Condición humana
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MODELOS DE SIMULACIÓN arc
og
loba
l
El primer trabajo encargado al MIT  modelo
World-2
Después modelo perfeccionado  World-3


MODELOS DE SIMULACIÓN

 Son modelos numéricos para simular sistemas
ambientales como ecosistemas, terrenos que se van a
industrializar, zonas expuestas a un riesgo…

 Utilizan ecuaciones en las que una o más variables
van cambiando su valor generalmente con el tiempo.

 Permiten abordar problemas en los que están implicadas
muchas variables.


ió n
World-2

Pob lac R
ecursos naturales
no renovable
s
Va
ria Alimen
tos

duc id os
pro
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Capital
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Contamin invertido

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World-2

+
+ Nacimientos +
TN Población
+ - -
+
+ + Defunciones
+ TM
+ -
-
Capital invertido
Alimentos/personas
+ +
+
+ +
Alimentos
Tasa de consumo + Tierras de producidos
- cultivo +
La simulación de su comportamiento futuro (1900-2100)+se expuso en el informe:
”Los límites de crecimiento” (El Club de Roma)
Recursos naturales + Producción industrial
Conclusión: no podemos mantener por un tiempo indefinido nuestro
no renovables - +
+
actual ritmo de crecimiento (poblacional y económico).

Contaminación


World-2

Podría conseguirse la estabilización del sistema con una
serie de reducciones:
–Tasa de natalidad: 50%
–Tasa de consumo de recursos naturales: 75%
–Alimentos producidos: 25%
–Tasa de contaminación: 50%
–Capital invertido: 40%


World-3

Distintos escenarios, en función de las diferentes
decisiones políticas respecto a la tasa de
consumo de recursos naturales

Crecimiento continuo o ilimitado

Aproximación al equilibrio

Sobrepasamiento y oscilación

Sobrepasamiento y colapso


World-3 Crecimiento continuo o ilimitado

Los recursos son ilimitados y crecen
de forma exponencial
La población crece de igual manera
Sistema económico tradicional:
explotación incontrolada de recursos
naturales
Mejoras tecnológicas para aumentar la
cantidad de recursos disponibles


World-3 Aproximación al equilibrio

Los recursos son limitados
Su cantidad determina la capacidad
de carga  población constante


World-3 Sobrepasamiento y oscilación

La población crece y sobrepasa la
capacidad de carga
El tamaño de la población sufre
oscilaciones
Equilibrio dinámico en función de los
recursos se regeneran con rapidez


World-3 Sobrepasamiento y colapso

La población sobrepasa el límite de carga
Los recursos no son renovables
Derrumbamiento y colapso de la población
Propio de economías basadas en el
consumo de combustibles fósiles

Las conclusiones que se sacaron de este modelo se expusieron en el informe:
”Más allá de los límites de crecimiento” (1991)


World-3

1ª CONCLUSIÓN
Si se continúa con el actual crecimiento, la industrialización, la contaminación,
la producción de alimentos y el consumo de recursos, los límites del planeta
se alcanzarán en los próximos cien años

Seguir como hasta ahora: Duplicación de los
Agotamiento de recursos recursos disponibles:
Colapso económico y de población Colapso de forma más brusca


World-3

1ª CONCLUSIÓN

La modificación de todas las variables puede llevar a la estabilización del sistema:

Tecnologías que propicien la duplicación de recursos y alimentos y, a su vez,
aumenten la eficiencia en el uso de recursos,
la disminución de la erosión y de la contaminación
Las variables se estabilizan a partir del 2030 “Desarrollo sostenible”


World-3 2ª CONCLUSIÓN
Es posible modificar las tendencias de crecimiento
y establecer unas normas de estabilidad ecológica
y económica, que pueden ser mantenidas en el futuro

3ª CONCLUSIÓN
Cuanto antes se empiece a trabajar a favor de esta
última alternativa, más posibilidades de éxito

Críticas: Utilidades:
Se culpa al incremento de la Alarma sobre enfoque global de
población y no al consumo de problemas ambientales graves
recursos por persona
Modelos pioneros
Más contaminantes los
países del norte Muchos otros modelos posteriores
sobre distintos temas
Es sólo un modelo

SISTEMAS DE TELEDETECCIÓN

TELEDETECCIÓN Técnica que permite la observación a distancia y la
obtención de imágenes de la superficie terrestre desde
sensores instalados en aviones o satélites artificiales

Componentes de un sistema de teledetección

• Centro Cámara en un avión o
Sensor:de recepción: Los sensores
transmiten capta, codifica
satélite quela imagen como y transmite
información digital. En el terrestre
imágenes de la superficiecentro de
recepción se procesa y corrige
Pasivos: Utilizan un flujo de energía
externo (Del Sol o de elementos de la
superficie terrestre)
• Sistema de distribución: De tipo
telemático, permite el acceso de la
Activos: Emiten un tipo de radiación y
información a los usuarios para
interpretarla, usarla y parte de la
captan el reflejo por extraer
superficie
conclusiones


Empleo de la teledetección

Teledetección aérea: Globos, pájaros, aviones…

A mediados siglo XIX primeras
fotografías aéreas tomadas
desde globo.
Se desarrolla con finalidades
estratégicas y militares durante
el siglo XX.
Prospecciones geológicas y mineras,
cartografía, mapas topográficos,
inventarios forestales…



Teledetección espacial: Se mejora con el uso de satélites espaciales
Satélites científicos (HUBBLE)
Satélites meteorológicos (TIROS,
METEOSAT)
Satélites medioambientales (LANDSAT,
ERS)



AvanceFenómenos (El presas,…)
Impactos (minería, Niño) o desiertos
Variaciones en losde hielos de ozono
y retroceso climático
Agujero deconos volcánicos
Cambio la capa


Radiaciones electromagnéticas empleadas en la teledetección

Región central o
zona visible (V)
La atmósfera filtra las radiaciones solares y Región del infrarrojo (IR)
solo deja pasar las “ventanas atmósfericas”
Microondas
Los sensores empleados en teledetección emplean
estas zonas del espectro electromagnético


Radiaciones electromagnéticas empleadas en la teledetección

Región central o
zona visible (V) (El ojo humano solo diferencia 3 de los 7
colores del arco-iris)
- Azul: (de 0,4-0,5μm) – B
- Verde: (0,5-0,6 μm) – G
- Rojo: (0,6-0,7 μm) – R

Región del infrarrojo (IR)

- (IRP) infrarrojo próximo(0,7-1,3 μm) Detecta masas vegetales
- (IRM) infrarrojo medio (1,3-8 μm) Detecta humedad.
- (IRT) infrarrojo lejano o térmico (8-14 μm) Detecta calor producido por
el Sol, seres vivos, incendios.

Microondas (1mm-1m)

- Utilizadas para tomar imágenes sin iluminación o con nubes.


Imágenes obtenidas mediante la teledetección

Las imágenes pueden ser: analógicas o digitales.

Características de la imágenes digitales

Imágenes divididas en Se expresa mediante
Recuadros o celdillas PÍXEL: un valor numérico
de diferentes superficie mínima que se corresponde
tonos de gris detectada sobre con un tono de gris
el terreno
y que se
corresponde
Se diferencian con el recuadro Cuanto más
entre sí por la o celdilla: intensa sea la
intensidad con que unidad mínima señal, más claro
se recibe la señal de información será el gris del
en la que se pixel
divide una imagen


Resolución de un sensor

RESOLUCIÓN:
Mide la capacidad de un sensor para discriminar detalles

RESOLUCIÓN
RESOLUCIÓN ESPECTRAL:
ESPACIAL: La mayoría de
Se refiere al RESOLUCIÓN satélites poseen
tamaño del RADIOMÉTRICA: sensores que
pixel Capacidad para operan más de
Representa el discriminar las una banda del
área menor que variaciones de espectro:
puede intensidad de Multibanda
distinguirse de radiación emitida por Aumenta a
su entorno los objetos medida que lo
Se mide por la hace el nº de
RESOLUCIÓN TEMPORAL: cantidad total de bandas en las
Tiempo que transcurre desde niveles o tonos de que opera el
que un sensor toma una diferentes gris que sensor
imagen hasta que toma otra de posee una imagen
la misma zona


Resolución de un sensor


Obtención de imágenes en color

Una imagen en color resulta
Procesado digital a través de la combinación de
de ordenador imágenes tomadas en
3 bandas espectrales

En función de las
bandas que elijamos,
podemos obtener
imágenes en
color natural
o en falso color


Obtención de imágenes en color Color natural RBG = 321

A cada píxel de esta imagen se le
otorga el color rojo.
Su intensidad está determinada por el
tono de gris que posea

otorga el color verde.

otorga el color azul


Obtención de imágenes en color Color natural RBG = 321

Cada pixel de esta imagen
tendrá un color resultante de la
combinación de los tres colores
anteriores
Queda definido por tres dígitos
( de 0 a 255)

Los colores vienen
de la adición de los
tres colores
primarios
El total de colores
diferentes que
puede tener una
imagen es de 2563


Obtención de imágenes en color Falso color RBG = 432

Útil para detectar
masas vegetales

Los primeros sensores sólo trabajaban con
estas bandas  siguen siendo las más
empleadas
Imágenes que realzan los detalles:
detección de masas vegetales: cuanto más
intenso es el rojo, más vigorosas
Detección de recursos mineros
zonas ocupadas por agua (en negro)
Espacios urbanizados: en gris azulado
Interpretación de los elementos de
una imagen por su color  tabla
3.3.


Obtención de imágenes en color Falso color

RGB = 754
Útiles para discriminar zonas quemadas

RGB = 742
Se distinguen bien zonas urbanizadas y cultivos
Es decir: las huellas de las actividades humanas

RGB = 743
Para evaluar zonas encharcadas,
detectar cultivos de regadío, etc


Adquisición de datos en teledetección Órbitas de los satélites

Tipos de órbitas
Órbita geoestacionaria Órbita polar

Movimiento del satélite Órbita circular
sincronizado con el de Órbita perpendicular
rotación de la tierra al plano del Ecuador
Siempre observan Móviles  observan diferentes
la misma zona áreas de la superficie terrestre
A gran altitud  abarcan A menor altitud  área barrida
áreas muy amplias en cada imagen mucho menor
Gran resolución temporal Se aprecian mejor los detalles
Observación de fenómenos Mejor resolución espacial
globales


Adquisición de datos en teledetección Sensores de barrido multiespectral

Es el mecanismo de teledetección más habitual

Llevado a cabo por unos sensores que actúan como escáneres realizando un rastreo
minucioso y sucesivo de cada parcela de terreno

Recogen las radiaciones visibles e infrarrojas reflejadas por el suelo

LANDSAT, TERRA, AQUA poseen sensores de barrido que rastrean conjuntamente todo
el planeta

ENVISAT, de la Agencia Espacial Europea, barre minuciosamente el planeta

El tiempo de permanencia es de 6-7 años en el espacio.


Adquisición de datos en teledetección Sensores de microondas

SENSORES
DE RADIÓMETROS
MICROONDAS MICROONDAS
La emisión de microondas
se incrementa al disminuir
la temperatura de los cuerpos
SENSORES DE Movimientos de icebergs,
MICROONDAS extensión y variación de
PASIVOS hielos polares

SENSORES DE EL RADAR
MICROONDAS Emiten microondas y recogen y valoran
ACTIVOS su señal de retorno y el tiempo que tarda
en volver al sensor
Imágenes con más resolución



Hundimiento
plataforma Larsen
(Antártida)

Con sensor de
microondas pasivo



Más cantidad de radiación
reflejada menos vuelve al
sensor.

Las superficies lisas se
ven más oscuras

Si la superficie dispersa
las ondas vuelve más al
sensor

Las superficies secas y
rugosas se ven gris claro



Imágenes Se realizan dos tomas del mismo territorio
estereoscópicas en dos pasadas distintas con distinto ángulo
de incidencia



Aprovechar las ventajas de los altímetros que
poseen los sensores radar para la representación
topográfica del terreno
Radarmetría
Imagen con secuencia de bandas coloreadas a
intervalos regulares de altitud
Se generan MODELOS DIGITALES DE
ELEVACIONES O DEM



ANAGLIFO es la superposición de imágenes, una en
rojo, otra en azul, que al ser miradas con lentes especiales
producen una sensación de relieve

Imágenes Las imágenes se toman de forma similar a las
anaglíficas estereoscópicas
Una de las imágenes obtenidas se colorea de azul, la
otra en rojo
Se superponen y se contemplan con unas gafas con
cristales de dos colores: rojo el izquierdo, azul el derecho



Se toman con sensores de radar imágenes del mismo
lugar en dos pasadas en días diferentes
Se registran variaciones en la topografía
Interferometría En secuencias marcadas mediante una serie de bandas
coloreadas a intervalos de altitud regulares


Adquisición de datos en teledetección Sensores lídar

El sensor emite un pulso de láser, en visible o en infrarrojos, que
choca contra el polvo atmosférico o los contaminantes, y regresa al
sensor
Se emplea para detectar la contaminación del aire
Pueden instalarse en furgonetas que recorren una ciudad.
Con los datos obtenidos se construye un mapa tridimensional de la
concentración de los contaminantes y se puede deducir sus focos de
emisión

SISTEMAS GLOBALES DE NAVEGACIÓN POR SATÉLITES (GNSS)

GPS (global positioning system)

La “flota” de satélites GPS está formada
por entre 27 satélites que están en un órbita
media alrededor de la tierra. Este sistema de
satélites comenzó a ser diseñada en el año
1972, siendo lanzado el primer satélite al
espacio en el año 1978.
Hoy en día, los servicios GPS están
disponibles de forma gratuita a todo en el
mundo.


JUEVES 15 DE ABRIL DE 2010
Sistema ruso de navegación vía
satélite Glonass cubrirá todo el
globo para finales de este año


SISTEMA GALILEO
Europa a través de la Comisión Europea y la Agencia Espacial Europea se
planteó una opción más ambiciosa, la creación de un satélite independiente con
cobertura mundial, de origen civil y al servicio de la comunidad internacional.
Así surge Galileo, como complemento del GPS y con una órbita ligeramente
desviada del Ecuador, más exacta en las regiones cercanas a los polos y
ventaja fundamental para los países de la U.E nórdicos
Se necesitan 4.000 millones de euros para enviar al espacio los 30 satélites que
hacen falta para poder ofrecer un servicio alternativo al GPS (Global Positioning
System), y estas cantidades tan altas hacen que las empresas se lo piensen.
Por si esto fuera poco, han surgido luchas intestinas dentro del consorcio,
motivadas porque tanto Alemania como Italia y España exigen sus propios
centros de control del sistema.

SISTEMAS TELEMÁTICOS APOYADOS EN LA TELEDETECCIÓN

Un sistema telemático se basa en la interconexión entre múltiples
ordenadores mediante una red de comunicaciones de intercambio de
mensajes para la realización de una tarea común

Los datos se toman a través de sensores o GPS

La información se digitaliza y se procesa a través de ordenador

Después se puede transmitir mediante cables o satélites


Los SIG

SIG ( Sistema de Es un programa de ordenador que contiene un
conjunto de datos espaciales de la misma
Información porción de un territorio organizados de forma
Geográfica) geográfica

Los datos se representan en capas superpuestas
Los datos proceden de fotografías tomadas por
teledetección o de mapas de todo tipo

Los SIG están destinados a almacenar, representar
gráficamente, manipular y gestionar una información sobre el
territorio
Esta información se guarda en formato digital y se puede
visualizar en el ordenador
Debe ser actualizada con frecuencia
Nos permiten realizar simulaciones para ver qué puede
ocurrir en un territorio si variamos algún parámetro de alguna
de las capas.
Muy utilizados: prevención de riesgos, ordenación territorial,
…


Sistemas telemáticos de cooperación internacional

Uno de los más importantes es el basado en la información
meteorológica
WMO, 1950  puso en marcha el sistema de VIGILANCIA
METEOROLÓGICA MUNDIAL, 1968
Equipos de teledetección por satélite
Estaciones meteorológicas terrestres y marinas
Sistema de telecomunicaciones entre todas ellas
Los datos son analizados, procesados y retransmitidos a
los distintos CENTROS METEOROLÓGICOS
NACIONALES
Los satélites meteorológicos tienen un sensor de barrido
multiespectral que opera en las bandas visibles
Pueden tomar imágenes en infrarrojos, por lo que pueden
detectar la humedad atmosférica
Destacan: NOAA (EEUU), METEOSAT (Europa)

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