Los satélites de observación de la Tierra proporcionan datos para una gran variedad de aplicaciones, desde el seguimiento del cambio climático y la documentación de crímenes de guerra hasta la planificación de ayuda en caso de catástrofes y la evaluación de la profundidad de la nieve. Los investigadores de la ETH también son grandes beneficiarios.
Los satélites de la Agencia Espacial Europea (ESA) orbitan a una altitud de 700 kilómetros y transmiten señales de radar a la Tierra. Estas se dispersan por la superficie del planeta y se reflejan de vuelta al satélite, lo que permite obtener imágenes del terreno incluso cuando el cielo está nublado. En este momento, Konrad Schindler y su equipo están interesados en imágenes de Ucrania. «Los satélites sobrevuelan el país cada dos días, lo que nos proporciona una especie de vídeo a cámara lenta», explica Schindler, director del Instituto de Geodesia y Fotogrametría de la Escuela Politécnica Federal de Zúrich. «Si la señal llega a un montón de escombros donde antes había edificios intactos, rebota de forma diferente». Esto se debe a que las superficies lisas reflejan las ondas de radio con mayor eficacia que las superficies rugosas.
No es que el ojo desnudo pueda interpretar con claridad este flujo de imágenes de libre acceso. Esa es la tarea de un sistema de vigilancia automático que aprovecha el poder de la inteligencia artificial. «El sistema utiliza estadísticas para identificar patrones en los datos», explica Schindler. Se trata de un ejemplo de aprendizaje automático, en el que un sistema de inteligencia artificial se entrena con imágenes de referencia que muestran claramente, por ejemplo, la diferencia entre un edificio destruido y uno que sigue intacto.
Los datos de referencia fueron facilitados por UNOSAT, el Centro de Satélites de las Naciones Unidas. Allí, los expertos examinan minuciosamente imágenes de alta resolución procedentes de fuentes comerciales para identificar daños en los edificios y documentar así crímenes de guerra como el bombardeo de infraestructuras civiles. “Nuestro sistema de vigilancia no está diseñado para sustituir a estas personas”, afirma Schindler. “Pero su capacidad para cubrir grandes áreas les proporciona una orientación útil sobre dónde buscar más de cerca”.
Viaje al espacio en globo
Este texto apareció en el número 24/04 de la revista ETH Globe .
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Mapas para organizaciones de ayuda
El mapeo de los daños de guerra es uno de los dos proyectos en los que los investigadores de la ETH han colaborado con el Comité Internacional de la Cruz Roja (CICR). “El segundo buscaba responder a una pregunta aparentemente muy simple: ¿dónde está la gente?”, explica Schindler. Cuando el CICR lanza operaciones de socorro o campañas de vacunación tras catástrofes naturales, necesita datos sobre la densidad de población. En los países menos desarrollados, a menudo faltan estos datos, y es entonces cuando la Cruz Roja recurre a los mapas de población que el grupo de Schindler crea a partir de datos satelitales.
Los investigadores de la ETH utilizan este potente cóctel de observación por satélite y aprendizaje automático en una amplia gama de áreas. En colaboración con la start-up suiza ExoLabs, por ejemplo, han desarrollado un sistema que ofrece una evaluación más rápida y precisa de la capa de nieve que la obtenida a partir de fuentes convencionales. Los investigadores comenzaron alimentando el sistema con estimaciones de la profundidad de la nieve en Suiza basadas en imágenes de satélite y mapas de elevación digitales. Mediante comparaciones con datos precisos recopilados por aeronaves y estaciones meteorológicas terrestres, el sistema aprendió a mejorar las estimaciones basadas en satélite. Ahora proporciona mapas diarios de la profundidad de la nieve, un servicio que pronto se lanzará de forma comercial.
Ya se ha puesto a disposición de forma gratuita un mapa mundial de la altura de los árboles, basado también en datos satelitales y utilizado principalmente con fines medioambientales. «Desde el espacio no se puede ver la base de un árbol, pero la señal reflejada contiene información detallada, sobre todo en el rango infrarrojo, de la que se puede obtener mucha información sobre la vegetación», explica Schindler. A partir de datos de referencia de un escáner láser a bordo de la Estación Espacial Internacional (ISS), un programa informático ha aprendido a calcular la altura de los árboles a partir de los patrones de iluminación de la zona observada. Un pulso láser que rebota en la copa de un árbol tarda un mínimo de tiempo en volver a la ISS que uno reflejado desde el suelo. Esta diferencia es suficiente para calcular la altura de la vegetación local.
Sistema de alerta temprana para bosques
“El mapeo global de la altura de las copas de los árboles también proporciona información interesante sobre la edad de la vegetación”, dice Verena Griess, catedrática de Gestión de Recursos Forestales y directora del Instituto de Ecosistemas Terrestres de la ETH de Zúrich. Ella y su equipo están utilizando datos satelitales para descubrir más sobre la salud de los árboles. “El cambio climático nos ha llevado a una era de cambios rápidos”, dice Griess. “Esto también se aplica a nuestros bosques, donde los problemas causados por plagas, derribos, incendios y sequías están aumentando considerablemente”. Con los datos satelitales, los investigadores planean establecer un sistema de alerta temprana que nos avise de los bosques en peligro incluso antes de que los daños sean visibles para el ojo humano. Este sistema también podría usarse para detectar los primeros signos de incendios forestales en áreas escasamente pobladas o para mostrar dónde se requieren medidas correctivas en Suiza para salvaguardar la protección contra los peligros naturales que ofrece la silvicultura. Los datos satelitales también podrían identificar áreas que son adecuadas para la extracción de madera o que requieren conservación debido a su alta biodiversidad. “Nuestro objetivo es garantizar que se tome la decisión correcta para cada lugar”, explica Griess.
Los investigadores están trabajando en un modelo que podrá identificar automáticamente las especies de árboles a partir de imágenes satelitales. El modelo, entrenado con datos de lugares donde se sabe que crecen especies como hayas, abetos o alerces, aprende gradualmente a identificar los patrones correspondientes en las imágenes satelitales. Mediante sensores hiperespectrales, los satélites también pueden recopilar información sobre la salud de los árboles que es invisible para el ojo humano. Esto incluye medir la concentración de ciertas sustancias en las hojas y monitorear cualquier cambio que pueda indicar las primeras etapas de una infestación de plagas.
Acerca de
Verena Griess es profesora de Gestión de Recursos Forestales en el Departamento de Ciencias de Sistemas Ambientales de la ETH de Zúrich.
Konrad Schindler es profesor de Fotogrametría y Teledetección en el Departamento de Ingeniería Civil, Ambiental y Geomática de la ETH de Zúrich.
Benedikt Soja es catedrático de geodesia espacial en el Departamento de Ingeniería Civil, Ambiental y Geomática de la ETH de Zúrich. Esta cátedra fue financiada por el fondo Dr. Alfred y Flora Spälti.
Las imágenes satelitales bidimensionales también se pueden enriquecer con datos 3D de escáneres láser, ya sea a bordo de satélites, aviones o drones, o ubicados en tierra. La ETH inauguró recientemente su superordenador Alps, que acelerará el análisis de datos y mejorará el entrenamiento de modelos de inteligencia artificial. «Esta tecnología suma un punto más a nuestro arco, junto con nuestros excelentes estudiantes y la excelente colaboración entre las cátedras universitarias y otras instituciones miembros del Dominio ETH», afirma Griess. «Suiza cuenta ahora con una auténtica riqueza de conocimientos en este ámbito, concentrados a un nivel que no se encuentra en ningún otro lugar».
La tecnología GPS reutilizada
La salud de los árboles de los bosques también se puede estudiar con las señales de los satélites GPS. Si se coloca un receptor GPS debajo de un árbol y otro a cierta distancia, la diferencia de las señales recibidas puede servir para calcular la cantidad de biomasa que contiene el árbol. “Es sorprendente lo que se puede hacer con una tecnología que se desarrolló para algo completamente diferente: en este caso, la navegación”, afirma Benedikt Soja, catedrático de Geodesia Espacial.
En colaboración con MeteoSwiss, Soja y su equipo han instalado receptores GPS de bajo coste en varias estaciones meteorológicas repartidas por toda Suiza. Estos receptores miden el nivel de vapor de agua en la atmósfera detectando el correspondiente retraso en la propagación de las señales de radio transmitidas por satélite. Estos datos se utilizan después para calcular la humedad sobre una estación meteorológica y, de este modo, mejorar las previsiones de lluvia.
Al mismo tiempo, el análisis de estos datos a lo largo de un periodo de tiempo más largo también proporciona información sobre el cambio climático. Una atmósfera más cálida absorbe más humedad, es decir, más vapor de agua. “Esto, a su vez, intensifica el cambio climático, porque el vapor de agua también es un gas de efecto invernadero, de hecho, el más abundante de todos”, explica Soja. “Esto hace que sea muy fácil determinar el impacto local del cambio climático en la atmósfera”. Las mediciones GPS muestran que, en promedio, algunas regiones se han vuelto más húmedas y otras más secas.
Los investigadores están utilizando otra técnica para seguir el deshielo de las capas de hielo de Groenlandia y la Antártida. Dos satélites que vuelan en tándem miden el campo gravitatorio de la Tierra, que varía según la cantidad de masa presente en un lugar determinado. “Esto significa que podemos medir cualquier cambio en esta masa desde el espacio”, explica Soja. Estos datos se pueden refinar aún más con la ayuda de otros satélites que miden la altitud. “Las regiones polares están sufriendo un deshielo masivo. Estamos perdiendo cientos de gigatoneladas de hielo cada año, el equivalente a un gigantesco cubo de 3.000 metros de altura del tamaño de la ciudad de Zúrich, y esto está provocando un aumento del nivel del mar”, dice Soja. “La observación por satélite es la mejor manera de seguir el impacto que está teniendo el cambio climático en las capas de hielo de la Antártida y Groenlandia”. ETH News. B. V. Traducido al español
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