Ingeniería Argentina: conociendo la herramienta satelital argentina “SAOCOM”

Por Álvaro Soldano, de la Comisión Nacional de Actividades Espaciales (CONAE)

 

ARGENTINA (6/6/2021).- La sociedad argentina puede sentirse satisfecha y hasta orgullosa del diseño y desarrollo del denominado “Plan Espacial Nacional”. Este plan, estratégico para Argentina, que es propuesto y ejecutado por la Comisión Nacional de Actividades Espaciales (CONAE), en el ámbito del Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación de la Nación, para la planificación del desarrollo de la tecnología espacial argentina, se constituye en una clara Política de Estado, sostenida desde el año 1994.

Pero, también, nuestra sociedad puede percibir que la inversión en tecnología espacial nacional, realizada hasta la fecha, dio sus frutos y logró elevar a nuestro país al más alto nivel internacional, a través del desarrollo de misiones satelitales, estaciones terrenas, centro de control de misión y laboratorios que forman el “segmento terreno” de las misiones satelitales y, finalmente, la formación de capacidades especializadas para el uso y aplicación de la información espacial.

En relativamente pocos años, con tecnologías que están en la “frontera del conocimiento”, la CONAE ha desarrollado seis satélites de observación de la Tierra.

Los primeros, fueron de características científicas (la serie SAC, Satélites de Aplicaciones Científicas) pero, a partir de la Misión SAOCOM 1 (Satélites Argentinos de Observación con radar de Microondas), se ha encarado el desarrollo de satélites con una tecnología de observación terrestre que aporta información espacial de alto impacto en las actividades productivas de nuestro país y del mundo.

El Plan Espacial Nacional propone el diseño y desarrollo de  proyectos o misiones de “ciclos completos”. Es decir, se proyecta el desarrollo de plataformas satelitales (los satélites propiamente dichos) que transportan el o los sensores de observación de la Tierra deseados pero, también, se proyecta y desarrolla el denominado “segmento terreno” o estación terrena.

Estas estaciones permiten la comunicación con los satélites a través de antenas terrestres, que intercambian códigos de operación y control con la plataforma satelital y, además, donde se descargan y pre procesan los datos satelitales o imágenes adquiridas.

Asimismo, en los segmentos terrenos se implementan programas específicos, diseñados para lograr la automatización del sistema de adquisición satelital y puesta en disponibilidad de los productos satelitales.

En resumen, el ciclo se inicia a partir de los comandos que envía el Centro de Control de Misión al satélite para la adquisición por parte del sensor de una imagen o dato, continúa con su trasmisión a la estación terrena, prosigue con un procesamiento previo de calibración y generación del producto satelital y su adecuación a un formato de presentación para su uso.

Luego, pasa a una fase de almacenamiento en servidores y, finalmente, se pone a disposición de los usuarios en un geo portal y catálogo WEB, completando así el ciclo.

En particular, Argentina, actualmente, tiene en órbita, una constelación de dos satélites de observación de la Tierra de última generación, la constelación SAOCOM 1, compuesta por el SAOCOM 1 A y 1 B. (Ver figura 1)

Figura 1: Fotografías de los lanzamientos de los satélites SAOCOM 1 A y 1 B. A izquierda: lanzamiento del satélite 1 A, 7 de octubre de 2018, Vanderberg, USA. A derecha: Lanzamiento del satélite 1 B, 30 de agosto de 2020, Cabo Cañaveral, USA. Ambos puestos en órbita por el lanzador Falcon 9 de SpaceX (Fuente: SpaceX/CONAE).

Esta constelación fue diseñada para que estos dos satélites “gemelos” operen como un único sistema de adquisición de imágenes.

Estos satélites están ubicados en órbitas cuasi polares, es decir giran de polo a polo, a una altitud de 620 km, siguiendo con una cierta inclinación la traza de la iluminación solar, símil a los meridianos terrestres. De manera tal, que al girar la Tierra, los satélites van adquiriendo, a partir de la emisión de la señal radar, imágenes de distintas franjas terrestres (“path”, en inglés).

La frecuencia de adquisición, “resolución temporal” o “revisita” de cada satélite SAOCOM 1, tiempo transcurrido entre adquisiciones de un mismo sitio terrestre, es desde 16 días. Con los dos satélites en órbita, se reduce a 8 días.  (Ver figura 2).

Figura 2: Constelación SAOCOM 1. Esquema. Vista de los satélites SAOCOM 1 A y 1 B separados 180 ° en su órbita. Las adquisiciones de los satélites son planificadas. La antena radar emite señales y espera los rebotes (señal de retrodispersión) de las mismas, con los que se compone la imagen. Fuente: gentileza Ing. Jorge Milovich, CONAE.

 

Argentina construyó plataformas satelitales o satélites, que transportan sensores que observan la Tierra en distintas longitudes de onda del espectro electromagnético.

Por ejemplo, en el año 2000, la CONAE puso en órbita el satélite SAC-C, diseñado y construido en el país. Este satélite estuvo operativo hasta el año 2013, y adquirió imágenes del espectro electromagnético del óptico (0,4 a2,5 micrómetros o mm), a través de un sensor pasivo, que contaba con 5 “bandas o regiones espectrales” de observación:

·       banda 1: azul verdoso (0,4 a 0,8 mm);

·       banda 2: verde (0,54 a 0,56 mm);

·       banda 3: rojo (0,63 a 0,69 mm;

·       banda 4: infrarrojo cercano (0,795 a 0,835 mm);

·       banda 5: infrarrojo medio (1,55 a 1,70 mm).

Todas estas bandas tenían una resolución espacial o píxel (unidad básica o celda mínima de una imagen o archivo en formato raster) de 175 m. También, poseía una banda pancromática (0,4 a 0,9 mm), con un píxel de 35 m.

Esta tecnología de observación remota basa la adquisición de imágenes en que los cuerpos terrestres interactúan y reflejan la luz solar de una manera selectiva que los caracteriza (las denominadas “firmas espectrales”).

Sin embargo, la frecuencia y cobertura de presencia de nubes es tal que limitan la observación de la Tierra con este tipo de tecnología satelital. Esta limitación se torna más grave ante la ocurrencia de ciertas catástrofes naturales o antrópicas (inundaciones, incendios, erupciones volcánicas, etcétera).  Ver figura 3.

Figura 3: Ejemplo de composición color de bandas espectrales  satelital de una imagen SAC-C (óptica), procesada para mostrar el alcance espacial de la inundación de la ciudad de Santa Fe, al 8 de mayo de 2003, producida por el desborde del río Salado. Este producto fue usado en el marco de la 1° activación de la “Carta Internacional Espacio y Grandes Desastres” (https://disasterscharter.org/web/guest/charter-activations). Esta imagen satelital fue adquirida, afortunadamente, una semana después del pico de la crecida, ya que antes, durante y después del desarrollo del evento de inundación hubo constante presencia de nubes en la zona. Fuente: Carta Internacional Espacio y Grandes Catástrofes, CONAE e INA, 2003.

 

¿Qué ventajas brindan las imágenes de radar de apertura sintética?

Como se comentó, la presencia de cobertura nubosa obstaculiza la visión de los fenómenos naturales o antrópicos que realizan desde el espacio los sensores satelitales pasivos en la región electromagnética del óptico. Esta limitación fue superada a partir de la idea de diseñar antenas de radar de apertura sintética o SAR (acrónimo inglés de Satellite Aperture Radar). Ver figura 4.

Figura 4: Fotografía de la antena radar SAR en el laboratorio LaMA, etapa de ensayos en las facilidades del Laboratorio de Integración y Ensayos (LIE). Centro Espacial Teófilo Tabanera (CETT). CONAE. Falda de Cañete, provincia de Córdoba. Fuente: CONAE.

 

La señal de radar de las antenas SAR de los satélites de la constelación SAOCOM 1, operan en la “banda L” o región de las microondas electromagnéticas denominada “L”, que refiere a una longitud de onda entre23 y25 cm y una frecuencia de oscilación de 1,295 GHz.

Esta señal puede atravesar la cobertura nubosa de la atmósfera y adquirir imágenes en casi cualquier condición meteorológica, inclusive de noche. Además, la señal que emite es “polarizada”, es decir la señal puede ser emitida y recibida en cuatro planos o “polarizaciones” posibles.

Por lo tanto, puede ser emitida y recibida en un plano de iluminación horizontal (banda HH), o en uno vertical (banda VV) o en un plano “cruzado” (VH o HV, emite vertical y recibe horizontal y viceversa). Por lo tanto, las imágenes pueden ser monocromáticas (se las visualiza en tonos de grises) cuando corresponden a una sola polarización (HH o VV o VH o HV) o se las puede visualizar en color cuando se compone una imagen de tres bandas o polarizaciones (composición polarimétrica). Ver figura 5.

Figura 5: Arriba: Bandas o imágenes polarimétricas (monocromáticas) de SAOCOM.Abajo, composición color Pauli de combinación de bandas polarimétricas (canales del monitor: rojo: R = Bandas HH -VV; canal verde: G = banda HV; canal azul: B = bandas HH + VV). La imagen muestra una vista de la ciudad de San Nicolás, provincia de Buenos Aires, y el río Paraná. Fuente: CONAE.

 

Usos en el sector agropecuario

Como fue descripto, la constelación SAOCOM 1 fue diseñada para la observación de la Tierra con la señal SAR en banda L de las microondas.

Por las características de esta señal SAR, es muy sensible a la detección de humedad en el suelo, ya que la señal SAR  se ve afectada por la mayor conductividad del agua respecto de los suelos secos. Por otro lado, la longitud de onda de la señal le permite una gran penetración en suelos con texturas someras (ejemplo: arena) que, de encontrarse totalmente secos, puede llegar a penetrar  hasta diez veces la longitud de onda de la señal, es decir, unos 2,5 m. Ver figura 6.

Figura 6: Ejemplo de penetración de la señal SAOCOM en cultivos de arroz. Comparación del seguimiento del estado de inundación por debajo del cultivo en una plantación (líneas rojas indican los límites de los lotes). A la izquierda: composición color con una imagen Landsat, donde se observan los cultivos crecidos (color verde), los lotes inundados sin cultivo crecido (color azul) y lotes sin estar inundados (color rosado). En el centro: siete días después, otra imagen Landsat pero con total cobertura de nubes. A derecha: imagen SAOCOM, de una sola de las bandas polarimétricas (HH), horizontal-horizonta mostrando, a través de las nubes, la película de agua (color azul), por debajo del cultivo ya crecido. Fuente: gentileza de Danilo Dadamia, CONAE.

 

Pero, esta penetración, se ve reducida por la presencia de coberturas, y la textura y estructura del suelo y su contenido de agua. A partir de estas capacidades de la observación con radar, se han generado productos SAOCOM 1 de utilidad para el sector agropecuario.

El principal producto es el “Mapa de Humedad del Suelo” de la capa superficial (primeros 10 a 30 cm de profundidad en el perfil, dependiendo del tipo de suelo y cobertura). Este mapa tiene resoluciones espaciales de 150m y 800m de tamaño de pixel, según el modo de adquisición (modo “stripmap” en el primer caso y modo “TopSAR Narrow” en el segundo).

Este producto es único a nivel internacional. Ha sido calibrado con mediciones a campo, en una red automática y telemétrica, que representa la variabilidad de la humedad en distintos tipos de suelo, régimen de lluvias y ambientes, en la región pampeana, desde el año 2012.

Actualmente, se está ampliando esta red de calibración y validación del Mapa de Humedad del Suelo a las regiones áridas y semiáridas de Argentina.

El objetivo es aplicar el Mapa de Humedad del Suelo para optimizar la gestión del agua. En estas zonas el recurso hídrico es escaso, por lo que es vital monitorear su uso para el consumo humano y para su aplicación mayor en oasis de riego, para mejorar las producciones agrícolas regionales.  Ver figura 7.

 

Figura 7: Mapa de Humedad del Suelo (capa superficial). Pixel 150 m. Los pixeles con humedad baja o suelo con estado “seco” están indicados con color rojo, mientras que los pixeles con alta humedad o estado del suelo “saturado” con color azul (ver escala).  Vista del mapa completo y un detalle. Zona al sur de Bell Ville, provincia de Córdoba. Fuente: gentileza de Danilo Dadamia, CONAE.

 

Otros productos satelitales generados a partir del procesamiento de las imágenes SAOCOM 1 son, por ejemplo: el “Índice Radar de Vegetación” (IRV), que detecta la estructura de cultivos y bosques. Esta detección permite monitorear los distintos estados fenológicos de la vegetación en sus ciclos de desarrollo.

Otro producto satelital SAOCOM 1 es el mapa de “Máscaras de Agua”, que detecta el  agua libre en superficie. Este producto permite monitorear el estado hídrico de los cuerpos de agua (ríos, lagunas, etc.) y analizar su evolución temporal hacia situaciones extremas de déficit (sequía) o exceso (inundación) hídricas. Ver figura 8.

 

Figura 8: Índice Radar de Vegetación (IRV). Los lotes con suelo desnudo están indicados con color marrón, los lotes con máximo índice de vegetación con color verde muy claro (ver escala). Pixel 150 m. Vista del mapa completo y un detalle. Zona al sur Las Varillas, provincia de Córdoba. Fuente: gentileza de Danilo Dadamia, CONAE.

 

Productos desarrollados

Para el agro se han desarrollado aplicaciones, denominadas “estratégicas”, dado su potencial impacto sobre las actividades agropecuarias. Uno de los principales es:

“SAS” o Sistema Satelital de Decisión en agricultura. Este sistema se basa en la simulación de decisiones que toman los productores en el manejo de los cultivos: qué fecha de siembra eligen, con qué lluvias o humedad del suelo cuentan para esa fecha, qué tipo de cultivo quieren producir, con qué tipos de suelos cuentan en su lote, que genética posee su semilla, qué surco dejarán entre hileras del cultivo, qué densidad de cultivo tendrán por hilera, aplicarán o no fertilizante, aplicarán o no herbicidas, qué fecha estiman para la cosecha, etc.

A partir del ingreso del Mapa de Humedad del Suelo SAOCOM al sistema, la estimación del modelo de cultivo mejora su precisión y el sistema devuelve los denominados “escenarios de rinde”.

Estos escenarios de rinde son estimaciones a partir de la modelación del cultivo, que permite obtener valores de mínimo, medio y máximo rinde, a partir de las decisiones del manejo del mismo asumidas por el productor.

Por otro lado, el modelo contiene el tipo de suelo donde se desarrolla el cultivo, y asimilando la información de los parámetros de manejo citados, puede estimar la humedad en el perfil del suelo a distintos horizontes de profundidad. Esta última información está siendo publicada en el “Geoportal” de la CONAE (https://geoportal.conae.gov.ar/geoexplorer/composer/).

Expresada en un mapa de Humedad en el Perfil del Suelo a 50 cm, para  la región Pampeana, divido en “Zonas Homogéneas”, de acuerdo al tipo de suelo presente. Ver figura 9.

Figura 9: Captura de pantalla de una vista del Geoportal de la CONAE. Ejemplo del Mapa de Humedad en el Perfil del Suelo integrada a 50 cm de profundidad, mapa para las provincias de Santa Fe, Córdoba, La Pampa, Entre Ríos y Buenos Aires.Fuente: gentileza de Homero Lozza, CONAE.

 

Aplicaciones en el sector forestal

La señal SAR (Synthetic Aperture Radar o radar de apertura sintética) de la constelación SAOCOM 1, por su longitud de onda, tiene la capacidad de atravesar la canopia de los árboles y recibir una señal de rebote (retrodispersión) del tronco e, inclusive, del suelo.

Esta característica de penetración hace de SAOCOM 1 una verdadera “herramienta” para estimar parámetros de variables forestales dasométricas (Biomasa total, Contenido de Humedad en Vegetación, VWC,  Altura planta) .

La banda L de SAOCOM 1, posee un longitud de onda adecuada para la medición de la biomasa forestal. A partir de la modelación de la señal de respuesta de un bosque, que es capturada en la imagen satelital, las principales variables forestales se pueden obtener al procesar y modelar las imágenes SAOCOM 1: altura de árbol, biomasa (peso o volumen por metro cuadrado de bosque) y densidad de árboles por metro cuadrado.

 

La generación de nuevos productos

La información de SAOCOM 1 es de acceso libre y gratuito para el sector público de la sociedad. Mientras que para el sector privado nacional es bonificado a partir de la firma de convenios de investigación y desarrollo (“I+D”) para que, en forma conjunta, se puedan desarrollar servicios y productos específicos para las actividades productivas agropecuarias y forestales, ajustados a partir de su calibración y validación con datos de campo.

Esta sinergia público-privada, que se logra a través de dichos convenios, permite identificar y desarrollar aquellos productos satelitales específicos que aportan información, a partir de las características de observación del SAOCOM 1, de impacto en la producción y que, finalmente, redunden en beneficio de la sociedad argentina.

 

Acceso a las imágenes SAOCOM 1

Las imágenes SAOCOM 1 son publicadas automáticamente en el Catálogo que se encuentra en el portal WEB de la CONAE: https://catalog.saocom.conae.gov.ar/catalog/#/

Para acceder a su visualización, solo es necesario registrarse en el portal WEB de la CONAE, luego se le otorga al usuario, un nombre y clave de acceso.

En el Geo Portal WEB de la CONAE, también se publican productos satelitales obtenidos a partir de la modelización de imágenes SAOCOM 1 y de otras misiones satelitales, de visualización libre: https://geoportal.conae.gov.ar/geoexplorer/composer/

Si se desean descargar las imágenes satelitales o acceder a productos específicos para la actividad forestal (no publicados en el Geo Portal) es necesario, firmar un convenio de investigación y desarrollo con la CONAE ó, una vez desarrollado y calibrado el o los productos específicos, acceder a un servicio brindado por la empresa VENG S.A. (https://www.veng.com.ar/), designada por la CONAE para la comercialización y distribución de los servicios y productos SAOCOM 1.

 

 

 

Este artículo forma parte del espacio mensual de la REDFOR.ar, en ArgentinaForestal.com, que busca divulgar y generar debate sobre la problemática forestal del país. Las opiniones pertenecen a los autores.

Leave a Reply

Tu dirección de correo electrónico no será publicada.