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Las nuevas tecnologías y las Ciencias de la Tierra

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Presentación que sigue el tema de las nuevas tecnologías según el libro McGraw-Hill Ciencias de la Tierra y del Medio Ambiente de segundo de Bachillerato

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Las nuevas tecnologías y las Ciencias de la Tierra

  1. 1. LAS NUEVAS TECNOLOGÍAS EN LA INVESTIGACIÓN DEL MEDIO AMBIENTE
  2. 2. Las nuevas tecnologías han supuesto una revolución en las Ciencias de la Tierra
  3. 3. Los avances tecnológicos relacionados con las CCTYM se basan en el desarrollo de: <ul><li>Sistemas informáticos y simulación ambiental </li></ul><ul><li>Sistemas de teledetección </li></ul><ul><li>SIG Sistemas de Información Geográfica (Geographic Information systems GIS) </li></ul>
  4. 4. 1
  5. 6. <ul><ul><li>El modelo pretende hacer prospecciones del futuro. </li></ul></ul><ul><ul><li>El modelo alcanza el mundo entero o, al menos, la influencia entre diferentes zonas geográficas. </li></ul></ul><ul><ul><li>El modelo intenta medir y unir áreas diferentes pero relacionadas. Por ejemplo, el medio ambiente, la demografía y la economía. </li></ul></ul>
  6. 7. Jay Forrester Experto en dinámica de sistemas del MIT presentó en 1970 un modelo global al Club de Roma.
  7. 8. World 2 El modelo relaciona las siguientes variables:
  8. 9. World 2
  9. 10. WORLD 2
  10. 11. World 3 La filosofía del World 3 puede concretarse en las propuestas del agrónomo francés René Dumont (DUMONT, 1973). a) la asociación con la naturaleza, en lugar de su dominación; b) la imposibilidad de predecir el futuro, pero la conveniencia y necesidad de configurar el que queremos ; c) la preocupación por el ser más que por el tener, como propuesta que implica un profundo cambio en las aspiraciones.
  11. 12. Los límites del crecimiento Donella Meadows Dennis L- Meadow
  12. 14. Si se mantienen las tendencias actuales de crecimiento de la población mundial, industrialización, contaminación ambiental, producción de alimentos y agotamiento de los recursos, este planeta alcanzará los límites de su crecimiento en el curso de los próximos cien años. El resultado más probable sería un súbito e incontrolable descenso tanto de la población como de la capacidad industrial. (D.L. Meadows y otros, Los Límites del Crecimiento, 1972)
  13. 15. 2
  14. 16. Sistemas de teledetección
  15. 17. La teledetección es la técnica que permite la observación a distancia y la observación de imágenes de la superficie terrestre desde sensores instalados en aviones o en satélites artificiales Sputnik. El primer satélite artificial Uno de los últimos satélites de la NASA
  16. 18. Veamos dos ejemplos
  17. 19. Compuesto multitemporal elaborado a partir de una serie de imágenes diarias corespondientes al mes de agosto de 2001. Las imágenes diarias provienen del sensor MODIS (Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer). El compuesto multitemporal es el resultado de la maximización de los valores digitales del canal de temperatura superficial terrestre diurna de cada día. Se utiliza para la detección de áreas quemadas y la realización de cartografía.
  18. 22. Desarrollados durante la guerra fría entre los E.U. y la Unión Soviética para usos militares, hoy en día disfrutamos de la oportunidad de aprovechar de imágenes tomadas por satélites artificiales para una gran variedad de aplicaciones Los satélites
  19. 23. <ul><li>Capa base de catastro – uso GIS de municipios </li></ul><ul><li>Desarrollo y planificación urbano </li></ul><ul><li>Mapeo / Planificación / Administración de uso de suelos </li></ul><ul><li>Infraestructura – teléfono, alcantarillado, agua potable, electricidad, gas etc. </li></ul><ul><li>Alineamientos – carreteras, canales, tuberías etc. </li></ul><ul><li>Recursos naturales – forestales, petróleo, minería etc. </li></ul><ul><li>Investigación ambiental – Cuencas hidrológicas, planos de inundación, vegetación </li></ul><ul><li>Agricultura – &quot;agricultura de precisión,&quot; clasificación de cultivos etc </li></ul><ul><li>Negocios o geografía empresarial – bienes y raíces, turismo, seguimiento de vehículos, espionaje industrial etc. </li></ul><ul><li>Respuestas rápidas a desastres naturales / emergencias </li></ul>
  20. 24. Las òrbitas de los satélites
  21. 26. La órbita geosincrónica o geoestacionaria
  22. 29. Una imagen proviniente del METEOSAT
  23. 32. Satelites que configuran el sistema GPS
  24. 34. teledetección Componentes de un sistema de
  25. 35. Espectro electromagnético El espectro electromagnético es la organización de bandas de longitudes de onda o frecuencia desde las más cortas a las más largas. Para la teledetección solo algunas de esta bandas son utilizadas hoy en día para obtener información de la superficie de la tierra o de la atmósfera, entre las bandas más utilizadas están Visible Infrarrojo próximo Infrarrojo medio Infrarrojo lejano o térmico Microondas
  26. 36. Satélites con detectores del infrarrojo lejano o térmico IRT permiten imágenes como esta representación de la temperatura del agua oceánica
  27. 37. Región central o zona visible <ul><li>Los colores que percibimos son mezcla de tres. </li></ul><ul><li>Azul (Blue) </li></ul><ul><li>Verde (Green) </li></ul><ul><li>Rojo (Red) </li></ul>Son los colores de una fotografía convencional tomados juntos o por separado
  28. 38. Región del infrarrojo <ul><li>Se divide en tres zonas </li></ul><ul><li>Infrarrojo próximo útil para masas vegetales </li></ul><ul><li>Infrarrojo medio útil para percibir la humedad de distintos medios, p.e. Nubes </li></ul><ul><li>Infrarrojo lejano. Detecta el calor reemitido por distintas superficies </li></ul>
  29. 39. Características de las imágenes digitales <ul><li>Las imágenes digitales están divididas en pequeñas parcelas llamadas Píxel </li></ul><ul><li>(picture x element) </li></ul><ul><li>Cada píxel se corresponde con un valor que a su vez hacemos corresponder con un color </li></ul>
  30. 40. Resolución de un sensor <ul><li>Resolución espacial </li></ul><ul><li>Se refiere al área menor que puede distinguirse de su entorno. El sátelite LANDSAT- TM tiene una resolución de 30x30 metros </li></ul><ul><li>El SPOT de 10x10 </li></ul>
  31. 41. Resolución espacial
  32. 42. Resolución de un sensor <ul><li>Resolución temporal : </li></ul><ul><li>Es la frecuencia con la que se actualizan los datos. </li></ul>
  33. 43. Meteosat renueva las imágenes cada 15 minutos
  34. 44. Hundimiento de la plataforma Larson en la Antártida
  35. 49. 1 2 3 4
  36. 50. Resolución de un sensor <ul><li>Resolución radiométrica </li></ul><ul><li>Capacidad para discriminar las variaciones de intensidad de la radiación . </li></ul>Capacidad total de niveles o tonos diferentes de gris
  37. 51. El NOAA trabaja con 1024 niveles de gris
  38. 52. LANDSAT opera con 256 niveles de gris
  39. 53. Resolución de un sensor <ul><li>Resolución espectral </li></ul><ul><li>Se refiere a las distintas logitudes de onda que un sensor puede medir </li></ul>La mayoría de los satélites poseen sensores que operan más de una banda del espectro electromagnético
  40. 54. Resolución de un sensor <ul><li>Resolución espacial </li></ul><ul><li>Resolución temporal </li></ul><ul><li>Resolución radiométrica </li></ul><ul><li>Resolución espectral </li></ul>RECUERDA
  41. 55. Sensores de barrido multies- pectral
  42. 56. Sensores de radar. Un sistema de sensor de radar emite la radiación que acaba por registrarse, por lo que se clasifica como sensor activo . Los sensores pasivos , por otra parte, dependen de la recepción de la luz del sol reflejada o de emisiones térmicas de infrarrojos. Un ejemplo de estos sistemas pasivos serían los sensores multiespectrales mencionados en la sección anterior.
  43. 57. Veamos ahora algún ejemplo de los cientos de satélites que orbitan la Tierra
  44. 58. El QuickBird se lanzó desde la Base de las Fuerzas Aéreas de Vandenberg, California, el 18 de octubre de 2001. El QuickBird es el satélite comercial de mayor resolución que hay en funcionamiento
  45. 59. El QuickBird orbita el planeta a una altitud de 600 km. El sensor QuickBird (una cámara de alta resolución) recoge imágenes de la superficie de la Tierra durante las horas de sol. El sistema recoge datos pancromáticos de 61 centímetros y estereoscópicos multiespectrales de 2,5 metros. El QuickBird está diseñado para cubrir grandes áreas con gran eficacia y precisión.
  46. 60. Ésta es una imagen multiespectral en falso color (bandas 4, 3 y 2) del volcán Miyake-jima, recogida por el QuickBird el 14 de marzo de 2002; la combinación de bandas de falsos colores revela el fuerte contraste entre las zonas con y sin vegetación del volcán, provocadas por el constante fluir de la lava. La erupción ocurrida el 2000 seguía en curso en abril de 2002. Todos los habitantes llevan evacuados desde septiembre de 2000
  47. 61. El 1 de marzo de 2002, la Agencia Espacial Europea puso en órbita el ENVISAT , un satélite de observación terrestre de órbita polar que proporcionará mediciones de la atmósfera, los océanos, el suelo y el hielo en los próximos cinco años, como mínimo. Los datos del ENVISAT servirán de apoyo a las investigaciones científicas sobre la Tierra y permitirán la monitorización de los cambios ambientales y climáticos. Además, sus datos facilitarán el desarrollo de aplicaciones operacionales y comerciales ENVISAT
  48. 62. La principal misión del MERIS (Sensor óptico a bordo del ENVISAT),es la medición del color del mar en océanos y áreas costeras. Conociendo el color del mar se puede convertir en una medición de la concentración del pigmento de la clorofila, de la concentración de sedimentos en suspensión y de las cargas de aerosol sobre áreas marinas La primera observación del MERIS capturó una enorme masa de fitoplancton producida por un mecanismo de &quot;afloramiento&quot; junto a la costa de Mauritania.
  49. 63. Satélite landsat 7
  50. 64. Una imagen LANDSAT 7 ETM+ está compuesta por 8 bandas espectrales que pueden ser combinadas de distintas formas para obtener variadas composiciones de color u opciones de procesamiento
  51. 65. Algunas imágenes LANDSAT
  52. 69. La línea de frontera entre México y Guatemala, en la imagen del Landsat de 1988, muestra el impacto de los asentamientos rurales en el bosque tropical.
  53. 70. El sensor TM (Thematic Mapper) del satélite LANDSAT captura información de siete bandas espectrales, tres en la región del visible (azul, verde y rojo) y cuatro en la región infrarroja. Las imágenes obtenidas por este sensor son el resultado de atribuir un color convencional a la información de cada una de las bandas utilizadas en cada caso, normalmente tres.
  54. 71. 0.52 0.60 0.63 0.69 0.76 0.90 1.55 1.75 2.08 2.35 10.40 <ul><ul><li>Banda 1 (azul):Diseñada para penetración en cuerpos de agua, es útil para el mapeo de costas, para diferenciar entre suelo y vegetación y para clasificar distintos cubrimientos boscosos. También es útil para diferenciar los diferentes tipos de rocas presentes en la superficie terrestre. </li></ul></ul><ul><ul><li>Banda 2 (verde): Especialmente diseñada para evaluar el vigor de la vegetación sana. También es útil para diferenciar tipos de rocas y para detectar la presencia o no de limonita. </li></ul></ul><ul><ul><li>Banda 3 (rojo):Es una banda de absorción de clorofila, muy útil para la clasificación de la cubierta vegetal. También sirve en la diferenciación de las distintas rocas y para detectar limonita. </li></ul></ul>0.45 <ul><li>Banda 4: (infrarrojo cercano) Es útil para determinar el contenido de biomasa, para la delimitación de cuerpos de agua y para la clasificación de las rocas. </li></ul><ul><li>Banda 5: (infrarrojo medio) Indicativa del contenido de humedad de la vegetación y del suelo. También sirve para discriminar entre nieve y nubes. </li></ul><ul><li>Banda 7: (infrarrojo medio) Especialmente seleccionada por su potencial para la discriminación de rocas y para el mapeo hidrotermal. Mide la cantidad de hidróxilos (OH) y la absorción de agua. </li></ul><ul><li>Banda 6: (infrarrojo termal ) El infrarrojo termal es útil en el análisis del stress de la vegetación, en la determinación de la humedad del suelo y en el mapeo termal. </li></ul>Veamos las características de resolución espectral del Landsat 7:
  55. 74. Composición de imagen con los canales 3,2,1,
  56. 75. Composición de imagen con los canales 3,2,1,
  57. 76. Imagen compuesta con los canales 5,4,3
  58. 77. El ETNA (Canales 4,5,3) Combinación de las bandas 4, 5, 3 del Landsat Gracias al empleo de dos combinaciones de bandas distintas, podemos diferenciar los tipos de lava en los afloramientos de las laderas del volcán (combinación de las bandas 4,5,3) y la posición de los cráteres de la cima, visiblemente humeantes durante la adquisición de la imagen (combinación de las bandas 3,2,1).
  59. 78. Etna (canales 3,2,1,) Combinación de las bandas 3,2,1 del Landsat Si observamos una combinación de las bandas 3,2,1 de las imágenes del Landsat 5 TM tomadas el 3 de junio de 1995, veremos claramente la proximidad de los municipios al volcán (grupos brillantes en las esquinas de la imagen). La ciudad de Zafferana Etnea (al suroeste del pico Etna), situada en el extremo del valle del Bove, el principal canal de lava durante las erupciones volcánicas, ha sufrido grandes daños en las numerosas erupciones recientes.
  60. 79. Los colores de una imagen multiespectral.
  61. 80. Para construir una imagen se toman las de tres bandas y se le asigna un color a cada una. Luego se superponen
  62. 81. Color natural Red banda 3 Green banda 2 Blue banda 1
  63. 83. Red canal 4 Green canal 3 Blue canal 2 Esta asignación de bandas se denomina falso color
  64. 86. Otras combinaciones en falso color
  65. 89. Imagen de Almería RGB 7,4,2 Aquí podemos observar con bastante detalle las diferentes zonas y algunos sitios de interés turístico de Almería. También pueden apreciarse con gran detalle las instalaciones del puerto así como también, a la derecha de la imagen podemos observar claramente las instalaciones del aeropuerto
  66. 90. Veamos ahora dos imágenes con distintos canales. En la primera vemos una zona con vegetación y deducimos que las zonas oscuras son bosques . En la segunda identificamos a los eucaliptus en aquellas zonas que varían desde un anaranjado intenso a un rojo casi purpura; la población de pinos se identifica en un rango que va casi desde el negro, pasando por el marrón hasta llegar a un verde oscuro (ésto en un primer vistazo). Esta variabilidad cromática está directamete asociada no sólo con la naturaleza de cada especie en particular, sino con su edad y tipo de manejo. En un análisis más profundo es posible clasificar y desglosar las diferentes situaciones que puede presentar una determinada población forestal. RGB 321 RGB 453
  67. 91. Sistema de Información Geográfica
  68. 93. Componentes de un SIG
  69. 94. Los SIG están destinados a almacenar representar gráficamente, manipular y gestionar una información sobre el territorio. Dicha información se guarda en formato digital y se puede transformar en visual mediante un ordenador.
  70. 95. Por ejemplo, un lago que tiene su correspondiente forma geométrica plasmada en un plano, tiene también otros datos asociados como niveles de contaminación, usos, accesos, profundidad, flora y fauna, riesgo de inundación, otros riesgos asociados, etc. Todos estos aspectos deben reflejarse en un SIG.
  71. 96. Pongamos otro ejemplo : supongamos que tenemos un suelo definido en los planos de clasificación de un planeamiento urbanístico como &quot;urbanizable&quot;. Este suelo urbanizable tiene una serie de atributos, tales como su uso, su sistema de gestión, su edificabilidad, etc. Pero es que además, el urbanizable tiene una delimitación espacial concreta correspondiente con su propia geometría definida en el plano. Por tanto, el SIG tiene que trabajar a la vez con ambas partes de información: su forma perfectamente definida en plano y sus atributos temáticos asociados. Es decir, tiene que trabajar con cartografía y con bases de datos a la vez, uniendo ambas partes y constituyendo con todo ello una sola base de datos geográfica .
  72. 97. Los SIG son muy utilizados para los estudios del medio ambiente, prevención de riesgos, ordenación del territorio, gestión de recursos y detección de impactos ambientales
  73. 98. Son muy numerosos y específicos para cada tipo de riesgo o para cada zona geográfica. Sirven para elaborar mapas de riesgos y para desarrollar planes de emergencia SIG de riesgos
  74. 100. A continuación podemos ver los elementos que componen un SIG utilizando como ejemplo el elaborado por la Comunidad autónoma de La Rioja
  75. 102. Otro ejemplo: en este caso se muestran aspectos trabajados dentro de un SIG de la Zona de Especial Protección para las Aves nº 56 denominada Encinares de los ríos Alberche y Cofio que se encuentra al SW de la Comunidad de Madrid
  76. 103. Cartografía de la capacidad general de uso
  77. 104. El mapa representa la fauna de la Zona de Especial Protección para las Aves nº 56 denominada Encinares de los ríos Alberche y Cofio. Destaca la presencia de de especies tan singulares y amenazadas como el Águila imperial ibérica, el Buitre negro, el Buitre leonado, el búho y la Cigüeña negra. El mapa muestra la distribución de los biotopos homogéneos, sus niveles de protección y los lugares de avistamiento, de campeo, las zonas de amortiguación y de nidificación. Cartografía de Ordenación de Recursos Naturales: Niveles de protección de la fauna
  78. 105. Cartografía del paisaje: calidad visual <ul><li>El mapa representa la calidad visual del paisaje que rodea a los embalses de San Juan y de Picadas (Madrid), Este área piloto forma parte de la Zona de Especial Protección para las Aves nº 56. La zona posee recursos naturales de elevado valor ecológico y una gran belleza escénica. Para evaluar la calidad visual del paisaje se han valorado los elementos que definen la calidad intrínseca: ocupación del suelo, fragmentación o diversidad biogeográfica y relieve. Además, se ha tenido en cuenta la calidad extrínseca a través de las cuencas visuales de los elementos que añaden o restan calidad al paisaje. </li></ul>
  79. 106. Cartografía del paisaje: fragilidad visual <ul><li>El mapa representa la fragilidad visual del paisaje que rodea a los embalses de San Juan y de Picadas (Madrid), parte de la Zona de Especial Protección para las Aves nº 56 . Por su elevado valor ecológico, esta zona es muy sensible a la implantación de actividades e infraestructuras en el territorio que puedan causar impactos ambientales elevados. </li></ul>
  80. 107. El mapa representa la zonificación ambiental propuesta para la zona que rodea a los embalses de San Juan y de Picadas. Se ha considerado que no todas las zonas de este espacio natural protegido tienen el mismo valor ecológico. En función de los niveles de protección de la fauna asignados al territorio, de la vegetación existente y de la calificación y clasificación del suelo (planeamiento urbanístico) se han establecido 5 zonas ambientales Cartografía de zonificación ambiental
  81. 108. Los software SIG pueden ser raster o vectoriales.
  82. 109. Al hacer zoom la imágen se pixeliza. Al hacer ZOOM no se pierde detalle raster vectorial
  83. 110. El modelo de SIG raster se centra en las propiedades del espacio más que en la precisión de la localización. Compartimenta el espacio en celdas regulares donde cada una de ellas representa un único valor. Cuanto mayores sean las dimensiones de las celdas (resolución) menor es la precisión o detalle en la representación del espacio geográfico
  84. 111. Representación de datos raster Los datos raster son una abstración de la realidad, representan ésta como una rejilla de celdas o píxeles, en la que la posición de cada elemento es implícita según el orden que ocupa en dicha rejilla. En el modelo raster el espacio no es continuo sino que se divide en unidades discretas. Esto le hace especialmente indicado para ciertas operaciones espaciales como por ejemplo las superposiciones de mapas o el cálculo de superficies .
  85. 113. Modelo Raster. Ventajas 1.Es una estructura de datos simple. 2.Las operaciones de superposición de mapas se implementan de forma más rápida y eficiente. 3.Cuando la variación espacial de los datos es muy alta el formato raster es una forma más eficiente de representación. 4.El formato raster es requerido para un eficiente tratamiento y realce de las imágenes digitales. Desventajas 1. La estructura de datos raster es menos compacta. Las técnicas de compresión de datos pueden superar frecuentemente este problema. 2. Ciertas relaciones topológicas son más difíciles de representar. 3. La salida de gráficos resulta menos estética, ya que los límites entre zonas tienden a presentar la apariencia de bloques en comparación con las líneas suavizadas de los mapas dibujados a mano. Esto puede solucionarse utilizando un número muy elevado de celdas más pequeñas, pero entonces pueden resultar ficheros inaceptablemente grandes.
  86. 114. Los SIG raster son muy utilizados en estudios medioambientales donde la precisión espacial no es muy requerida (contaminación atmosférica, distribución de temperaturas, localización de especies pesqueras, análisis geológicos, etc.)
  87. 115. En el caso del modelo de SIG vectorial, el interés de las representaciones se centra en la precisión de localización de los elementos sobre el espacio. Para modelizar digitalmente las entidades del mundo real se utilizan tres objetos espaciales: el punto, la línea y el polígono. Los SIG vectoriales son más populares en el mercado.
  88. 116. En el modelo de datos vectorial (figura 4), los datos geográficos se representan en forma de coordenadas. Las unidades básicas de información geográfica en los datos vectoriales son puntos, líneas (arcos) y polígonos. Cada una de éstas se compone de uno o más pares de coordenadas, por ejemplo, una línea es una colección de puntos interconectados, y un polígono es un conjunto de líneas interconectadas
  89. 118. <ul><li>Modelo Vectorial. </li></ul><ul><li>Ventajas </li></ul><ul><ul><ul><li>1. Genera una estructura de datos más compacta que el modelo raster. </li></ul></ul></ul><ul><li>2. Genera una codificación eficiente de la topología y, consecuentemente, una implementación más eficiente de las operaciones que requieren información topológica, como el análisis de redes. </li></ul><ul><li>3. El modelo vectorial es más adecuado para generar salidas gráficas que se aproximan mucho a los mapas dibujados a mano. </li></ul><ul><li>Desventajas </li></ul><ul><ul><ul><li>1. Es una estructura de datos más compleja que el modelo raster. </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>2. Las operaciones de superposición de mapas son más difíciles de implementar. </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>3. Resulta poco eficiente cuando la variación espacial de los datos es muy alta. </li></ul></ul></ul><ul><li>4. El tratamiento y realce de las imágenes digitales no puede ser realizado de manera eficiente en el formato vectorial. </li></ul>
  90. 119. En resumen:
  91. 120. Datos tipo Datos tipo
  92. 121. ventajas e inconvenientes de los modelos de datos raster y vectorial raster vectorial precisión gráfica - + cartografía tradicional - + volumen de datos - + topología - + operaciones de cálculo + - actualización + - variación espacial continua + - integración + - variación espacial discontinua - +
  93. 122. FIN

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