Importancia de la aplicación de las firmas espectrales para el monitoreo y seguimiento de la calidad del agua

En general los sistemas convencionales de monitoreo y seguimiento de calidad de agua de cuerpos superficiales, requieren una gran inversión en personal, equipo, tiempo y análisis de laboratorio. Lo que en algunos casos, impide que puedan hacerse periódicamente (al ser discreta, se limita a la toma puntual para su posterior análisis en el laboratorio) y generan una ruptura en la trazabilidad de la información y pérdida datos históricos, los cuales pueden llegar a ser útiles o importantes para el análisis del impacto ambiental en determinada región antes y después de un evento o proceso.

Desde tiempos inmemorables, la captura de imágenes ha permitido el análisis de los elementos de un área específica a través de la interpretación de su comportamiento espacial y temporal. Esta captura de imágenes que ha hecho frecuente sobre coberturas vegetales, comportamientos climáticos entre otros con tecnologías que van desde la fotografía aérea hasta los actualmente conocidos satélites o sensores espaciales como Landsat, Quickbird, Ikonos por mencionar algunos, que han permitido obtener un mayor nivel de detalle en diferentes bandas y sus combinaciones 1 para llegar a niveles de detalle o resolución alto.

Por eso es tan importante empezar apoyarse en esta área del conocimiento denominada sensoramiento remoto, ya que debido a sus características (entre ellas la espacialidad y la temporalidad, ya mencionadas), permite un mayor análisis en grandes áreas con una frecuencia periódica de toma de información.

Otras características importantes que tiene la información obtenida a través el sensoramiento remoto son:

– La objetividad, se recoge mediante sensores calibrados.

– La periodicidad, pues se recoge incluso varias veces en el día y puede conservar un histórico.

– La digitalización, por lo tanto, es susceptible de tratamiento informático 2.

Pero para entrar en los detalles de la aplicación de las firmas espectrales en calidad del agua, es necesario tener claros algunos conceptos.

La teledección, percepción remota o sensoramiento remoto es el conjunto de técnicas y tecnologías que permiten la captura de información de un objeto ubicado sobre la superficie terrestre, sin tener contacto directo con el 3. Esto es posible gracias la reflexión, refracción y absorción de energía, proveniente de la luz solar, que genera cada objeto de la superficie terrestre en distintas longitudes de onda (en el espectro electromagnético) denominada firma espectral o huella espectral, siendo esta única para cada objeto. Esta energía expresada en longitudes de onda es captada por sensores que se encuentra en satélites y/o aeronaves especializados.

Por lo anterior, es posible analizar datos de las imágenes provenientes de sensores remotos y crear hipótesis bastantes precisas acerca de una cobertura, gracias a su firma espectral, la cual tiene sus limitaciones ya que la toma de la imagen puede verse afectada en función de las condiciones meteorológicas, de las estaciones del año y de las condiciones de iluminación entre otros.

Aplicaciones de firmas espectrales

Actualmente la aplicación principal de las firmas espectrales se encuentra en el campo de coberturas vegetales, como en la caracterización de cultivos, estado vegetativo y de salud de los mismos. Sin embargo hay estudios especializados como la caracterización de cultivos para la determinación de concentración de nitrógeno en plantas4. También se encuentran estudios relacionados con la minería como "Exploiting quartz spectral signature for the detection of cloud- affected satellite infrared observations over African desert areas " 5, por mencionar algún ejemplo.

Firma espectral del agua

Actualmente la respuesta espectral del agua depende principalmente de su pureza y de la presencia de partículas en suspensión (aluviones, algas…). El agua pura tiene unas excelentes propiedades en cuanto a transmisión de la radiación electromagnética en el espectro visible y de absorción en el infrarrojo. En cambio la reflectancia presenta un pico en el verde que va reduciéndose hasta el infrarrojo. Esta falta de reflectividad en el infrarrojo es clave para distinguir entre áreas de tierra y agua tanto en costas o lagos como en ríos. Al incrementarse la profundidad del agua la reflectancia desciende, en cualquier longitud de onda.

Cuando el agua presenta turbidez, las consecuencias sobre la respuesta espectral van a depender del tipo de partículas en suspensión. Si se trata de fitoplancton, aparecen importantes alteraciones en el verde (aumenta) y en el azul (disminuye).

La contaminación del agua por factores antopogénicos ha generado alteraciones negativas a nivel físico, químico y biótico en dicho ecosistema y sus alrededores; características que pueden ser relativamente identificables con la ayuda de los sensores remotos.

Para encontrar estas alteraciones, los estudios que se han hecho se enfocan en sólo uno de los parámetros. Como es el caso de "Validación de firmas espectrales utilizando percepción remota en la relación a los pigmentos asociados con cianobacterias en las Salinas de Cabo Rojo en Puerto Rico"6, donde utilizaron las imágenes de los sensores Lansat ETM e Ikonos y por otra parte,

radioespectrómetros para la validación de datos en terreno. El estudio buscó validar la firma espectral de organismo fotosintéticos presentes en las aguas del área de estudio y de esta manera cuantificar la concentración de dichos microorganismos a partir de los vertimientos de agua servidas presentes en dicha zona. Sin embargo, aunque los resultados obtenidos no fueron contundentes, lograron ser la base para encontrar similitudes en otros estudios y encontrar los puntos claves para identificar el comportamiento espectral de la clorofila y las características que debería tener el satélite, para que en próximas ocasiones se obtuviera un mejor procesamiento de imagen. "…. Recomendaciones en trabajos futuros, se pueden trabajar con sensores hiperespectral, si sabemos espectrales ya que el ancho de banda es mucho menor, si sabemos que la clorofila tiene un tipo de reflectancia en 701 nm…."6

Por otra parte el estudio llamado "La respuesta espectral del agua ante diferentes concentraciones de sedimentos orgánicos e inorgánicos de la Bahía de Santander"7, desarrollado en España, utilizaron sensores aerotransportados8 como fuente de información de imágenes para hacer la interpretación de los parámetros fisicoquímicos como el contenido orgánico total, tipo de grano, humedad del sedimento, ph, plomo y zinc con apoyo de análisis de laboratorio.

Dicho estudio, utilizó las propiedades del suelo (sedimentos por su similitud espectral) para inferir en la calidad del agua como es el caso de los metales pesados "pese…, a que los metales que se encuentran en bajas concentraciones, no tienen características espectrales importantes en el visible y en el infrarrojo cercano (VNIR)…,si se relacionan espectralmente con otras propiedades del suelo que si son espectralmente activas y se pueden predecir las contracciones de metales…… Se ha comprobado que los sedimentos son una herramienta importante para medir el impacto del hombre sobre el medio".

En este caso, al hacer una correlación estadística entre el parámetro analizado y el tipo de suelo, ayudó a corroborar el comportamiento espectral de los sedimentos. Tabla 1

Tabla 1.Correlacion existente entre algunos parámetros analizados

De esta manera, el potencial que tiene el campo de las firmas espectrales para el monitoreo y seguimiento de la calidad del agua de cuerpos superficiales es amplio, debido a sus casi ilimitadas aplicaciones y líneas de trabajo.

Están aquellas asociadas con la elaboración de la firma espectral de un patrón específico, bajo unas condiciones específicas y en un lugar específico. Por otra parte, las relacionadas con la calibración de equipos y otra relacionada con la interpretación y verificación de esa firma espectral.

Con respecto a la primera el profesor Thomas P. Huber, de la Universidad de California, en su artículo "Spectral Signatures in the Classroom"9, resalta la importancia de la elaboración de bibliotecas de firmas espectrales, las cuales pueden ser construidas a bajo costo y con un relativo nivel tecnológico en centros educativos como universidades.

Sin embargo ya existen algunas de estas llamadas bibliotecas de firmas espectrales como la de ASTER que contiene una compilación de más de 2.000 firmas espectrales. Además incluye datos de otras tres bibliotecas espectrales públicas de la Universidad Johns Hopkins (JHU), Laboratorio de propulsión de la NASA (Jet Propulsion Laboratory –JPL) y el Servicio Geológico de los Estados Unidos 10

Colombia puede desarrollar potencialmente la tercera línea de trabajo, ya que la mayoría de las veces hay un volumen alto de información pero poco personal para el manejo e interpretación de imágenes satelitales y esto es respaldado por el concepto quemaneja la Comisión Colombiana del Espacio que menciona lo siguiente: "..Los sensores remotos ofrecen información que permite realizar la evaluación y monitoreo de las cuencas hidrográficas, un tema de gran importancia por constituir la unidad básica para la gestión del recurso…..En cuanto a la calidad de agua, los sensores remotos ofrecen la posibilidad de monitorear aspectos relacionados tales como el cambio de uso del suelo o evidencias de eutrofización. Recientemente, se viene desarrollando investigaciones en las que se calculan índices espectrales que pueden ser usados para estimar variables indicadoras de la calidad del agua (ej. clorofila a, turbidez, sólidos disueltos). Estos índices se obtienen mediante la correlación entre los datos in-situ y las bandas espectrales de imágenes multiespectrales e hiperespectrales. Las investigaciones relacionadas con estos índices requieren aún de investigación y validación en condiciones particulares" 11.

Bajo este contexto las universidades que tienen carreras con afinidad a temas ambientales, se convierte el sensoramiento remoto en una herramienta muy útil en la competitividad de los futuros profesionales y contribución para el desarrollo y el avance científico.

NOTAS:

1. Los sensores remotos trabajando con diferentes bandas o longitudes de onda las más comunes están en el espectro visible, infrarrojo, térmico y radar. Estos sensores están calibrados especialmente para que registren en dicha longitud de onda o en varias generando imágenes multiespectrales y de alta definición.

2. Ecología del Paisaje y Modelación de Ecosistemas. Unal. http://www.ciencias.unal.edu.co/unciencias/web/dependencia/?itpad=0&niv=0&itact=1425&ti=false&dep=33. 23/08/12

3. Adaptado de: Fundamentos físicos de Teledección. IGAC. 2007

4. PCA versus ICA for the reduction of dimensions of the spectral signatures in the search of an index for the concentration of nitrogen in plant. F. Rodríguez-Moreno, Fernando Llera Cid. Localización: Spanish journal of agricultural research, ISSN 1695-971X, Nº. 4, 2011 , págs. 1168-1175

5. Dialnet. http://www.teatrofaenza.com.co:2066/servlet/articulo?codigo=3790431. 23/08/12

6. Advance Geological Remote Sensing. http://gers.uprm.edu/geol6225/pdfs/h_weidisch.pdf. 06/09/2012

7. http://www.aet.org.es/congresos/xi/ten39.pdf. Autores E. Castillo, R. Ferrer, V. Bayarri., J Viguri. 27/08/12

8. "Ya que permite configurar la resolución espacial y temporal según las necesidades del usuario".

9. Proquest. http://www.teatrofaenza.com.co:2096/docview/216840014/138BC54A0FF7A5C9876/20?accountid=34622. 23/08/12

10. ASTER spectral library. http://speclib.jpl.nasa.gov/. 247/08/12

11. http://www.cce.gov.co/web/guest/areas_tematicas_ambiental. 27/08/2012

Autor:

Ana Milena Arenas Coronado

Estudiante de Ingeniería Ambiental