Una vez descritas de forma general las características más importantes de los sensores hiperespectrales, describimos de forma detallada las características de los sensores utilizados en el presente trabajo. La tabla 2.3.1 muestra las características principales de los sensores utilizados.
Sensor
Rango
espectral Bandas IFOV
Pixels
por línea Tipo
Resolución radiométrica
Resolución temporal AVIRIS 0.4 - 2.5 m 224 1 mrad 512 Barrido 12 bits 20.4 Mb/s CASI 0.4 - 1 m 288 1.3 mrad 612 Empuje 12 bits 1 Mb/s DAIS
7915
0.5 - 12.5 m 79 3.3 mrad 512 Barrido 15 bits 1.2 Mb/s
ROSIS 0.43 - 0.86 m 115 0.56 mrad 512 Empuje 14 bits 4.2 Mb/s TABLA 2.3.1. RESUMEN DE CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS SENSORES UTILIZADOS.
A continuación, detallamos brevemente algunas de las principales peculiaridades de los sensores anteriormente mencionados.
AVIRIS.
Las siglas AVIRIS son un acrónimo de Airborne Visible-InfraRed Imaging Spectrometer. Como su nombre indica, AVIRIS es un sensor hiperespectral aerotransportado con capacidades analíticas en las zonas visible e infrarroja del espectro (Green y col., 1998).
El sensor entró en funcionamiento en 1987 como el primer sistema de adquisición de imágenes capaz de obtener información en una gran cantidad de bandas espectrales estrechas y casi contiguas. En realidad, AVIRIS es un instrumento único en el mundo de la teledetección, pues permite obtener información espectral en 224 canales espectrales contiguos, cubriendo un rango de longitudes de onda entre 0.4 y 2.5 m, siendo el ancho entre las bandas muy pequeño, aproximadamente 0.01 m.
A partir de 1989, AVIRIS se convirtió en un instrumento aerotransportado. Desde ese momento, se realizan varias campañas de vuelo cada año con objeto de tomar datos mediante AVIRIS. En concreto, el sensor ha realizado tomas de datos en Estados Unidos, Canadá y Europa, utilizando para ello dos plataformas diferentes:
Un avión ER-2 perteneciente a NASA/Jet Propulsion Laboratory. El ER-2 puede volar a un máximo de 20 km sobre el nivel del mar, a una velocidad máxima de aproximadamente 730 km/h.
Un avión denominado Twin Otter, capaz de volar a un máximo de 4 km sobre el nivel del mar, a velocidades de 130 km/h.
Algunas de las características más relevantes del sensor AVIRIS son las que se detallan a continuación:
El sensor utiliza un explorador de barrido (whiskbroom) que permite obtener un total de 614 pixels por cada oscilación.
La cobertura de la parte visible del espectro es realizada por un espectrómetro EFOS- A, compuesto por un array de 32 detectores lineales.
La cobertura en el infrarrojo es realizada por los espectrómetros EFOS-B, EFOS-C y EFOS-D, compuestos todos ellos por arrays de 64 detectores lineales.
La señal medida por cada detector se amplifica y se codifica utilizando 12 bits. Esta señal se almacena en una memoria intermedia donde es sometida a una etapa de preprocesado, siendo registrada a continuación en una cinta de alta densidad de 10.4 Gb a velocidad de 20.4 Mb/s.
El sensor dispone de un sistema de calibración a bordo (on-board calibrator), que utiliza una lámpara halógena de cuarzo que proporciona la radiación de referencia necesaria para comprobar el estado de los diferentes espectrómetros.
Figura 2.3.5. Relación SNR en los diferentes canales de AVIRIS a lo largo de los años
A lo largo de los últimos años, el sensor ha ido mejorando sus prestaciones en cuanto a la relación señal-ruido. La figura 2.3.5 muestra una descripción de las prestaciones del sensor en cuanto a la relación SNR a lo largo de los últimos años (Green y Pavri,
2000). Llama la atención el considerable aumento de prestaciones que se ha producido en los últimos años.
CASI.
El sensor CASI (Compact Airborne Spectrographic Imager) ha estado disponible comercialmente a través de la compañía ITRES Research Limited, con sede en Calgary, Canadá, desde el año 1989. En la actualidad, hay un total de 20 sistemas CASI en funcionamiento (Keller y Fischer, 1998), utilizados por diversos centros de investigación, compañías privadas, agencias espaciales internacionales, y organizaciones de carácter militar.
El sensor CASI es un sensor de empuje que mide datos en las regiones visible e infrarrojo cercano (ver tabla 2.2.1). Las prestaciones del sensor son elevadas, con un valor de PSNR de aproximadamente 420:1. El sistema está compuesto por un conjunto de detectores ópticos integrados en una unidad denominada Sensor Head Unit (SHU), complementada por una unidad
Instrument Control Unit (ICU) que permite a un operador controlar de forma sencilla el proceso
de adquisición de datos.
La característica funcional más destacable del sensor CASI es que se trata de un sensor programable, es decir, uno de sus modos de operación permite seleccionar un conjunto de bandas espectrales en longitudes de onda seleccionadas en un rango de 545 nm dentro del intervalo espectral entre 0.4 y 1 m. Esta peculiaridad hace de CASI un potente instrumento, a pesar de que su rango de cobertura espectral no es tan amplio como el de otros sensores como AVIRIS.
DAIS 7915.
El sensor DAIS 7915 (Digital Airborne Imaging Spectrometer) fue desarrollado por la compañía Geophysical Environmental Research, GER (Chang y col., 1993) y, en la actualidad, su mantenimiento y explotación es realizada por la Agencia Espacial Alemana, DLR.
Desde 1994 este sensor ha realizado numerosas campañas (Strub y col., 1999; Müller y col., 2001). El sensor DAIS 7915 se caracteriza por cubrir un amplio rango del espectro, mediante 79 bandas espectrales entre 0.4 y 12.5 m. No obstante, la separación de las bandas en este
intervalo no es regular. En concreto, el sensor está formado por un conjunto de cuatro detectores con diferentes características (Strobl y col., 1997), las cuales aparecen descritas en la tabla 2.3.2.
Detector Rango espectral Número bandas Separación entre bandas
1 0.5 - 1 m 32 15-30 nm
2 1. - 1.8 m 45 45 nm
3 2 - 2.5 m 32 20 nm
3 - 5 m 1 2 m
4 8 - 12.5 m 6 0.9 m
TABLA 2.3.2. CARACTERÍSTICAS DE LOS DETECTORES DEL SENSOR DAIS 7915.
Algunas características destacables del sensor DAIS 7915 son las que se enumeran a continuación:
El sensor se encuentra montado sobre un avión Do228, operado por personal de DLR. Se trata de un sensor con mecanismo de adquisición de datos de tipo whiskbroom que
proporciona un total de 512 pixels por línea.
El sensor dispone de dos fuentes de calibración externa que permiten obtener una elevada precisión a la hora de determinar el nivel promedio de energía de los datos registrados.
La relación SNR es reducida para las longitudes de onda comprendidas entre 2 y 2.5
nm, debido a fuentes de ruido en el detector 3 (Strobl y col., 1998).
ROSIS.
El sensor ROSIS (Reflective Optics System Imaging Spectrometer) fue desarrollado de forma conjunta por la compañía Dornier Satellite Systems (DSS) y la Agencia Espacial Alemana (DLR).
Este sensor comenzó a ser utilizado a partir de 1994, año en el que superó las últimas pruebas de puesta a punto. Originalmente, el sensor fue diseñado con objeto de detectar cubiertas con características espectrales muy similares en aplicaciones de análisis de zonas costeras y aguas poco profundas (Gege y col., 1994).
El detector de ROSIS está formado por una matriz de dispositivos CCD (Gege y col., 1998), de forma que cada fila de la matriz está compuesta por 552 elementos, los cuales se describen en la tabla 2.3.3.
Número de elementos Descripción
8 Elementos inactivos (pre-escaneado). 8 Elementos de referencia (pre-escaneado) 4 Elementos de aislamiento (pre-escaneado) 512 Elementos detectores (pixels por línea)
4 Elementos de aislamiento (post-escaneado) 8 Elementos de referencia (post-escaneado) 8 Elementos inactivos (post-escaneado)
TABLA 2.3.3. CARACTERÍSTICAS DE LOS DETECTORES DEL SENSOR ROSIS.
La calibración espectral de los datos obtenidos por el sensor ROSIS se realiza en el momento del vuelo, utilizando para ello los elementos de referencia mencionados en la tabla 2.3.3 (Gege y col., 1998).
En la actualidad, los sensores DAIS 7915 y ROSIS están siendo utilizados dentro de la iniciativa HySens de la Comunidad Europea, cuyo objetivo es proporcionar datos a diferentes grupos europeos que realizan estudios en el marco de la teledetección y análisis hiperespectral (Müller y col., 2001).
2.3.2. Técnicas de análisis hiperespectral.
En este subapartado se describen los algoritmos existentes en la actualidad para analizar imágenes hiperespectrales, enfatizando las posibilidades que ofrecen a la hora de evaluar el grado de pureza de los pixels de la imagen. El subapartado comienza con una breve introducción al enfoque hiperespectral, en la que se introduce en el concepto de pixel puro y pixel mezcla y las métricas más relevantes para el análisis de datos hiperespectrales. Seguidamente, se realiza una descripción de las metodologías clásicas de análisis de este tipo de datos.