Modelos Informáticos de Simulación

Son programas informáticos que estudian el comportamiento de un sistema, partiendo de escenarios iniciales en los que se asignan valores a las variables consideradas. Las trayectorias son representaciones gráficas de la evolución de dichas variables en función del tiempo, permitiendo simular posibles escenarios futuros.

Existen modelos del cambio climático y del agujero de la capa de ozono. Un ejemplo destacado es el modelo World de Forrester y Meadows, que valora la evolución de la población humana en función de recursos, contaminación, población, alimentos y capital. Se trata de uno de los primeros modelos globales. Posteriormente se han desarrollado otros modelos. Todos los modelos globales son simulaciones por ordenador.

Características de los Modelos Globales

• El modelo pretende hacer prospecciones del futuro.
• El modelo abarca el mundo entero o, al menos, la influencia entre diferentes zonas geográficas.
• El modelo intenta medir y unir áreas diferentes pero relacionadas, como el medio ambiente, la demografía y la economía.
• Utilizan la Dinámica de Sistemas.

Escenarios Considerados en Modelos de Simulación

• Un escenario en el que los recursos no renovables son ilimitados: el aumento de la población provoca un aumento del uso de los recursos que, a su vez, provoca un aumento de la población. Este escenario, gobernado por un bucle explosivo, no es realista, puesto que los recursos terminarán por agotarse.
• Un escenario en el que el aumento de población provoca un mayor uso de los recursos potencialmente renovables, lo que a su vez provoca la disminución de la población. Es un bucle homeostático que equilibra todo el sistema, ya que todas las variables tienden a alcanzar valores estables. Es un modelo de desarrollo sostenible.
• Un escenario en el que, como consecuencia del aumento de recursos, aumenta la población y viceversa, en un bucle explosivo que termina en un colapso futuro de la población por agotamiento total de los recursos no renovables. Es un modelo de explotación incontrolada.

Conclusiones del Modelo World-3

Si se continúa con la tendencia actual de crecimiento de la población, los límites del planeta se alcanzarán en los próximos cien años, tras lo cual sucederá un declive súbito e incontrolable.

Sistemas de Teledetección

La teledetección es la técnica que permite la observación a gran distancia y obtención de imágenes y datos de la superficie terrestre desde sensores instalados en aviones o satélites artificiales. Cada objeto, área o fenómeno emite un espectro electromagnético específico, denominado firma espectral. La firma espectral hace distinguible a ese objeto, superficie o fenómeno de los demás.

Áreas de Aplicación de la Teledetección

• Imágenes: Obtenidas mediante reconocimiento aéreo (tripulado o no), plataformas espaciales o, incluso, simples cámaras de mano.
• Señales: Consiste en la interceptación de todo tipo de señales electromagnéticas.
• Acústica: Sistemas de escucha submarinos.
• Inteligencia de fuentes abiertas: Internet, prensa, etc.

Componentes de un Sistema de Teledetección

Los componentes principales son: fuente de energía, superficie de estudio, sensor, procesamiento de la imagen y usuario final.

El Sensor

Instrumento situado en un satélite o avión capaz de captar, codificar y transmitir imágenes de la superficie terrestre.

Tipos de Sensores

Según el flujo de energía

• Pasivos: Utilizan el flujo externo procedente de la luz solar o de su reflejo en los objetos (como las cámaras). Ejemplos: Landsat, Meteosat.

Según la órbita descrita

• Geoestacionarios: Órbitas estacionarias sincronizadas con la rotación terrestre, apuntando siempre al mismo punto.
• Heliosíncronos: Sincronizados con el sol en órbitas polares o subpolares, perpendiculares al ecuador, barriendo una banda de territorio. Sus características más importantes son:
  • Órbita polar o heliosincrónica, es decir, que orbitan de polo a polo, con frecuencia establecida.
  • Orbitan a una altura entre 800 y 900 km.
  • Orbitan quietos (sin rotar sobre un eje) y poseen un radiómetro (sensor) que barre línea por línea la superficie de la Tierra a medida que el satélite avanza, o pasan dos veces al día por el mismo punto.

Según el tipo de radiación

• Visible: En la franja de 0,4 a 0,7 micrómetros. En radiación visible, hay un sensor para el rojo (0,6-0,7 µm), otro para el verde (0,5-0,6 µm) y otro para el azul (0,4-0,5 µm). Cada sensor codifica la señal analógica formando un mapa de valores numéricos que representa la superficie real. Existe un valor numérico asignado a cada píxel de la imagen, que corresponde a una intensidad de gris cuyo rango varía en función de la resolución radiométrica. Para un procesador de 8 bits, el rango de tonos de gris va de 0 a 256 en base decimal. De esta forma, se componen tres mapas de números correspondientes a cada uno de los tres sensores y a cada banda. Estos mapas se envían por separado como una secuencia. Luego, se recomponen los tres mapas asignando tonos de gris a cada píxel en función del valor enviado, se asigna el color correspondiente a cada banda (rojo, verde y azul), se superponen los mapas y obtenemos un color real.
• Térmico: En la banda del infrarrojo.
• De barrido multiespectral: Sensores pasivos que escanean el terreno, captan las radiaciones visible e infrarroja, y separan las bandas de diferente longitud de onda para enviarlas al sensor correspondiente.
• De microondas: Longitud de onda entre 1 mm y un metro. Pueden ser pasivos y activos. Los pasivos captan mejor las emisiones de cuerpos fríos. Los activos son los de RADAR, que emiten microondas que se reflejan en los objetos volviendo al RADAR. Se captan mejor las superficies rugosas. Las imágenes emitidas en tonos de gris se pueden colorear (en falso color).
• Sensores LIDAR: Emiten pulsos láser que son dispersados por la contaminación, permitiendo una valoración indirecta de la misma.

Centro de Recepción

Procesa la información digital transmitida por los sensores, corrige imperfecciones, resalta elementos, le da formato analógico o digital y la distribuye telemáticamente.

Empleo de la Teledetección

• Militar, meteorológico (METEOSAT), geológico, cartográfico, valoración de recursos, avance y retroceso de hielos, volcanes, fallas activas, entre otros (LANDSAT).

Radiaciones Electromagnéticas Empleadas

Los sensores usan las zonas del espectro que no hayan sido absorbidas por la atmósfera, denominadas ventanas atmosféricas, que se dividen en tres regiones diferentes:

• Espectro visible (0.4 – 0.7 µm): Es la única perceptible por el ojo. Coincide con la longitud de onda donde es máxima la radiación solar. Distintos colores en las longitudes: Azul: 0.4 – 0.5 µm (B); Verde: 0.5 – 0.6 µm (G); Rojo: 0.6 – 0.7 µm (R). Estas imágenes se toman con sensores fotográficos convencionales en blanco y negro (pancromáticas: valores medios de cada color) o en color RGB.
• Infrarrojo próximo (0.7 – 2,5 µm): Banda importante para diferenciar masas vegetales y concentraciones de humedad.
• Infrarrojo medio (2,5 – 50 µm): Zona compleja donde se mezcla la reflexión solar y la emisión terrestre. Se capta sobre todo la humedad, puesto que el agua, por su capacidad de absorción de calor, marca solo las zonas más húmedas.
• Infrarrojo lejano o térmico (50 -1000 µm): Es la región donde emiten energía todos los cuerpos de la superficie terrestre. Permite detectar las emisiones procedentes del calentamiento solar, por lo que sirve para valorar el calentamiento climático.
• Microondas (desde 1 mm hasta 30 cm): Son transparentes a las nubes y tienen muy poca energía. Por eso, si se quiere usar esta banda, tendrá que ser mediante teledetección activa. También permite captar imágenes nocturnas.

Características de la Radiación Electromagnética

• Todo cuerpo con temperatura mayor que el cero absoluto (0 K) irradia energía electromagnética.
• Cuerpo negro: Capaz de emitir y absorber energía de forma perfecta.
• La energía electromagnética viaja a la velocidad de la luz (C), y se puede describir como una onda con dos componentes, uno magnético y otro eléctrico perpendicular.
• Cuanto mayor es la energía de la onda, mayor es su frecuencia y menor su longitud. c = f * λ (c: velocidad, f: frecuencia, λ: longitud de onda).
• Dispersión: Difusión producida por las partículas presentes en la atmósfera. Este fenómeno es responsable del color azul del cielo cuando la interacción se produce con partículas pequeñas, o del color rojizo cuando la interacción se produce con partículas grandes.
• Reflexión, reflectancia o albedo: La radiación es reenviada de vuelta al espacio. Es el cociente entre el flujo de energía reflejado y el incidente.
• Absorción: La radiación pasa a incrementar la energía del objeto y se produce en longitudes de onda determinadas. El vapor de agua, el dióxido de carbono y el ozono son los principales elementos que absorben la radiación solar.
• Transmisión: La radiación se transmite hacia abajo a otros objetos. Los rangos de longitudes de onda en los cuales la atmósfera es particularmente transparente se denominan ventanas atmosféricas.
• Gracias a las medidas de reflexión, absorción y emisión de energía radiante de los distintos tipos de superficies en el espectro visible e infrarrojo, los científicos pueden calcular las firmas o signaturas espectrales para los distintos tipos de paisajes y cubiertas vegetales de la Tierra.
• Cada tipo de objeto presenta un nivel de respuesta específico en términos de: porcentaje de radiación reflejada + porcentaje de radiación absorbida + porcentaje de radiación transmitida.
• La variación de la reflectancia en función de la longitud de onda se denomina firma o signatura espectral.

Imágenes Obtenidas Mediante Teledetección

Resolución de un Sensor

Capacidad para discriminar los detalles. Se distinguen varios tipos:

• Resolución espacial: Área menor distinguible representada por un píxel. Por tanto, es el tamaño del píxel, un cuadrado de tono de gris homogéneo. LANDSAT: cada píxel representa superficies de 30×30 m. SPOT: 10×10 m.
• Resolución temporal: Frecuencia con que se actualizan los datos. LANDSAT: 16 días. METEOSAT: 15 minutos.
• Resolución radiométrica: Mide variaciones de intensidad en función de la cantidad de tonos de gris. Por ejemplo: 6 bits por píxel implica 2^6 = 64 niveles de gris. NOAA: 1024 tonos.
• Resolución espectral: Longitudes de onda de las distintas bandas en las que un satélite es capaz de medir.

Tipos de Imágenes

• Color natural o RGB = 3 2 1: Se superponen tres bandas asignando colores rojo a la banda 3, verde a la banda 2 y azul a la banda 1. La intensidad se determina en función del tono gris. El resto de colores surgen por combinación de los anteriores.
• Falso color: 4 3 2, 7 5 4, etc. Al cambiar las bandas de absorción se realzan los detalles. Por ejemplo: rojo indica mucha vegetación; beige, poca. Los primeros sensores solo trabajaban en estas bandas.
• Imágenes en pseudocolor: A diferencia de las imágenes en falso color, que están compuestas por la información de tres bandas diferentes, las imágenes en pseudocolor consisten en imágenes monocromas en las que se ha sustituido la escala de grises por una tabla o paleta de colores.
• Imágenes de microondas: Imágenes digitales en diversos tonos de gris que se pueden colorear. Los elementos de mayor reflexión (mar, autopistas, etc.) se ven más oscuros.
• Pancromáticas: Imágenes en tonos de gris.
• Estereoscópicas: Dos tomas con distinto ángulo que luego, al observarlas al estereoscopio, generan una visión tridimensional.
• Anaglíficas: Superposición de dos imágenes en rojo y en azul, que al ser miradas con lentes de dos colores, presentan relieve.
• Interferogramas: Dos imágenes de radar del mismo lugar secuenciadas en el tiempo para apreciar cambios en el relieve.

El GPS y el SIG

GPS (Global Positioning System)

Formado por pequeños aparatos que captan las señales emitidas desde unos satélites diseñados con ese objetivo y situados a 20.200 km. Cada aparato concreto, según su posición, recibe la señal de al menos tres satélites y, por triangulación, cada 15 segundos, permite conocer datos sobre la latitud y la longitud de cualquier punto geográfico con una precisión de hasta +/-1 m. También son capaces de determinar la velocidad y la dirección, por lo que son útiles para la navegación, localización de personas y animales en extinción, y coordinación en incendios y otras catástrofes.

SIG (Sistemas de Información Geográfica)

Programa de ordenador que ofrece datos espaciales de un territorio obtenidos por teledetección, organizados en capas superpuestas donde figuran la vegetación, las infraestructuras, las curvas de nivel, etc. Son muy utilizados para los estudios de medio ambiente, como la prevención de riesgos, la ordenación del territorio, la gestión de recursos y la prevención de impactos.