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marcas de sombra

Las marcas de sombra son patrones superficiales formados cuando la luz solar de ángulo bajo proyecta sombras alargadas sobre ligeras variaciones en la elevación del terreno, rev...

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Las marcas de sombra son patrones superficiales formados cuando la luz solar de ángulo bajo proyecta sombras alargadas sobre ligeras variaciones en la elevación del terreno, revelando características enterradas o erosionadas que de otro modo serían invisibles a nivel del suelo. [ 1 ] Comúnmente observadas a través de fotografía aérea o imágenes satelitales , las marcas de sombra ayudan a los arqueólogos a identificar estructuras antiguas, movimientos de tierra y modificaciones del paisaje. [ 2 ] Su visibilidad depende del ángulo de iluminación, la reflectancia de la superficie ( albedo ) y las condiciones ambientales como la vegetación o la cobertura de nubes. [ 3 ] Las marcas de sombra se diferencian de las marcas de cultivos o suelo en que se basan en el contraste topográfico en lugar de cambios biológicos o químicos. [ 4 ] [ 5 ] Las técnicas modernas de teledetección , como LiDAR , NDVI y radar de apertura sintética (SAR), a menudo se integran con el análisis de marcas de sombra para mejorar la precisión y superar las limitaciones ambientales. [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] Los desarrollos recientes también incluyen la clasificación de imágenes asistida por IA y simulaciones de luz virtual para mejorar la detección. [ 9 ] Más allá de la arqueología , las marcas de sombra se aplican en geomorfología , conservación del patrimonio y estudios de campos de batalla , y siguen siendo un indicador clave en enfoques multisensoriales para la interpretación del paisaje. [ 1 ]

Descripción

El mecanismo de formación de las marcas de sombra demuestra que la aparición de sombras en el suelo está estrechamente relacionada con el ángulo del sol.

Las marcas de sombra son patrones visibles en la superficie que surgen debido a pequeñas variaciones en la elevación del terreno cuando la luz solar incide en un ángulo bajo. [ 1 ] Estas diferencias de elevación proyectan sombras alargadas, lo que permite visualizar desde arriba sutiles irregularidades topográficas , como muros antiguos, zanjas o montículos. [ 2 ] A diferencia de las marcas de cultivo , que resultan del estrés de la vegetación, o las marcas de suelo , que surgen de cambios en la textura o el color del suelo, las marcas de sombra dependen principalmente del relieve físico y la geometría de la luz. [ 4 ] [ 1 ] Por lo tanto, sirven como un valioso indicador de características arqueológicas enterradas o erosionadas que no son detectables a nivel del suelo. [ 1 ]

La visibilidad de las marcas de sombra es muy sensible a las condiciones de iluminación. [ 1 ] Las primeras horas de la mañana y las últimas de la tarde son momentos ideales para la observación, ya que el sol está bajo en el horizonte y las sombras son más largas, lo que realza el contraste entre las elevaciones. [ 1 ] Incluso las ondulaciones leves del terreno pueden hacerse evidentes bajo esta iluminación, especialmente en los meses de invierno, cuando la vegetación es escasa y los ángulos de luz son óptimos. [ 1 ] Los arqueólogos suelen tomar fotografías aéreas durante estos momentos para aprovechar la mayor definición de las sombras. En paisajes planos, donde las características de la superficie suelen ser mínimas, la interacción entre la luz y la textura de la superficie puede exagerar las pequeñas variaciones topográficas, lo que hace que las marcas de sombra sean particularmente efectivas. [ 7 ]

Sin embargo, la nitidez de las marcas de sombra puede verse influenciada por diversas condiciones de la superficie. [ 5 ] La cobertura vegetal , los campos arados, la humedad del suelo y las sombras de las nubes afectan la forma en que la luz interactúa con el suelo y, por consiguiente, la visibilidad de estas marcas. [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] Por esta razón, la detección de marcas de sombra a menudo requiere estudios aéreos repetidos bajo diferentes condiciones ambientales y estacionales. En zonas bajas o áridas, las características temporales de la superficie o la infraestructura pueden complicar la interpretación, lo que requiere un análisis visual cuidadoso. [ 5 ]

A pesar de su sensibilidad a los factores ambientales, las marcas de sombra siguen siendo una herramienta crucial para la prospección arqueológica . Su base topográfica complementa otras técnicas de teledetección, permitiendo la detección de características que podrían no producir contrastes biológicos o químicos. [ 7 ] Cuando se integran con métodos adicionales, las marcas de sombra ayudan a formar una visión compuesta de los paisajes del subsuelo y han demostrado ser especialmente útiles para revelar características culturales y modificaciones del terreno enterradas hace mucho tiempo. [ 1 ]

Luz y sombra

La formación de marcas de sombra se basa en los principios básicos de la física y la óptica, especialmente en cómo la luz interactúa con las diferencias en la topografía de la superficie terrestre . [ 1 ] Cuando la luz solar incide sobre una superficie irregular en un ángulo bajo, proyecta sombras largas que contrastan más las áreas altas y bajas. [ 1 ] Este efecto óptico es fundamental para observar pequeños rasgos arqueológicos , ya que permite visualizar las irregularidades del terreno que de otro modo no serían evidentes bajo condiciones de iluminación directa desde arriba. [ 7 ]

Esta fotografía aérea muestra Maiden Castle, un yacimiento prehistórico situado en Dorset, tomada desde el oeste en 1937. El ángulo bajo de la luz crea largas sombras sobre las fortificaciones, resaltando así las intrincadas murallas y fosos del fuerte. Esta foto ilustra el efecto de las sombras en la arqueología aérea, donde las ligeras variaciones se hacen visibles gracias a los efectos de la luz y la sombra sobre el paisaje.

El ángulo de la luz solar es el factor principal que crea las marcas de sombra. Por la mañana y al atardecer (o al final de la tarde), el sol está bajo en el cielo y las sombras son más largas, lo que significa que incluso las pequeñas ondulaciones del terreno son visibles. [ 1 ] Por ello, los arqueólogos realizan estudios aéreos durante este tiempo para aprovechar al máximo las marcas de sombra. Sin embargo, la efectividad de estas marcas depende de la latitud , la estación del año y la atmósfera, factores que pueden afectar la dispersión de la luz y la nitidez de las sombras. [ 1 ]

El albedo , o reflectancia superficial , también es un factor clave en fotografías u otros registros de marcas de sombra. Los distintos materiales tienen diferentes albedos con respecto a la absorción y reflexión de la luz incidente y, por lo tanto, varían en su capacidad para crear contraste, lo que puede aumentar u ocultar las sombras. [ 3 ] Por ejemplo, cuando una estructura de piedra enterrada o un muro ha cambiado las propiedades físicas o químicas del suelo circundante, ya sea compactándolo o influyendo en la retención de humedad , es probable que el área superior refleje la luz solar de manera diferente a los suelos circundantes no alterados. [ 10 ] Las variaciones en la reflectancia superficial, o albedo, a veces serán observables en fotografías aéreas como diferencias en el contraste tonal o la intensidad de la sombra. [ 10 ] Un campo arado es un ejemplo de una exposición que puede revelar contornos tenues de una cimentación enterrada en el suelo debido a ligeras diferencias en la sombra o el color, incluso si la cimentación permanece oculta bajo tierra. [ 10 ] Además, el contenido de humedad puede reflejar la luz de manera diferente, haciendo que las marcas de sombra sean más o menos detectables dependiendo de las condiciones climáticas previas. [ 7 ]

Aplicaciones de teledetección

Las marcas de sombra, como indicadores de superficie dependientes de la elevación, desempeñan un papel fundamental en los estudios arqueológicos al exponer visualmente estructuras enterradas o erosionadas . [ 11 ] Si bien su visibilidad depende en gran medida de la iluminación —como se mencionó anteriormente—, son especialmente eficaces para identificar fortificaciones y movimientos de tierra, particularmente en paisajes agrícolas premodernos donde se conservan las alteraciones del terreno. [ 1 ] [ 4 ] [ 10 ]

Fotografía aérea tomada con cometa del emplazamiento del castillo de Ogilface, Woodend, West Lothian, con luz solar tenue.

La fotografía aérea ha sido el método principal para registrar marcas de sombra, particularmente en las exploraciones arqueológicas de principios del siglo XX. [ 11 ] [ 12 ] Los primeros arqueólogos registraron marcas de sombra mediante imágenes capturadas manualmente al amanecer o al atardecer para resaltar el contraste de los cambios del paisaje utilizando una cámara tradicional o fotografía aérea. [ 11 ] La tecnología de teledetección ha mejorado este proceso mediante el desarrollo de imágenes satelitales de alta resolución, levantamientos con drones y levantamientos complementarios utilizando detección y medición de luz aerotransportada (LiDAR). [ 6 ] El LiDAR ha sido un avance significativo en la detección de marcas de sombra, ya que su principal contribución es la capacidad de generar un Modelo Digital del Terreno (MDT) que resalta ligeras variaciones en la topografía que antes estaban ocultas debido a la densa vegetación. [ 11 ]

Estudios de caso

Los estudios de casos reales demuestran el valor práctico de las marcas de sombra en la detección arqueológica. Por ejemplo, los estudios aéreos sobre Maiden Castle en Inglaterra revelaron estructuras de fortificación complejas mediante la topografía realzada por sombras. [ 13 ] De manera similar, en China, las imágenes SAR detectaron con éxito patrones de sombra de murallas de la ciudad enterradas bajo campos agrícolas. [ 8 ]

Estos ejemplos resaltan cómo las marcas de sombra a menudo proporcionan la primera señal visual de características del subsuelo, especialmente cuando las marcas de cultivos y suelo ofrecen información limitada. [ 14 ] [ 7 ] Las marcas de sombra son más informativas cuando se utilizan junto con otras metodologías de teledetección . [ 14 ] [ 15 ] Cuando se combinan con otras formas de teledetección, las marcas de sombra ayudan a triangular las interpretaciones arqueológicas a través de indicadores visuales, biológicos y físicos complementarios. [ 14 ]

Por lo tanto, los arqueólogos actuales están haciendo hincapié en un enfoque multiproxy. A medida que los investigadores utilizan el análisis de marcas de sombra junto con LiDAR (topografía), GPR (lecturas del subsuelo) y análisis de bandas multiespectrales (desarrollo del paisaje), clasifican entre características antropogénicas y naturales. [ 16 ] A medida que se incorporan más datos a los Sistemas de Información Geográfica (SIG), y las marcas de sombra también podrían incorporarse a los SIG, el análisis espacial de los sitios arqueológicos puede mejorar el modelado predictivo y nuestra capacidad para reconstruir paisajes culturales. [ 17 ] Las marcas de sombra seguirán siendo importantes —aunque sean una tecnología relativamente sencilla— en el creciente conjunto de herramientas de la arqueología de teledetección. [ 11 ]

Limitaciones y soluciones

Si bien las marcas de sombra pueden mejorar la visibilidad de las estructuras antiguas en condiciones de iluminación ideales, también son muy susceptibles a la interferencia ambiental. [ 5 ] Las sombras de las nubes, el terreno irregular, la vegetación y las modificaciones de la superficie, como carreteras o arado, pueden distorsionar u ocultar los patrones de sombra, lo que hace que la interpretación sea menos fiable. [ 5 ] [ 7 ] Estas limitaciones hacen necesario el uso de técnicas avanzadas de teledetección y metodologías multisensor. [ 7 ] La obtención de imágenes ópticas pasivas mediante tecnología aérea también ha mejorado la interpretación de las marcas de sombra. [ 6 ] La obtención de imágenes multiespectrales e hiperespectrales permite filtrar algunas interferencias atmosféricas, como las sombras de las nubes, o eliminarlas y preservar los patrones arqueológicos, ya que compensa las marcas de sombra en la superficie terrestre al registrar la luz solar y manipular las sombras. [ 18 ] Una cúpula de luz multiespectral también permite a los arqueólogos simular ángulos solares para interpretar las marcas de sombra en reconstrucciones digitales. [ 3 ] Además, se pueden desarrollar simulaciones de iluminación sintética para crear condiciones de sombra artificialmente, lo que brinda a los arqueólogos capacidades potenciales para manipular características del terreno digital que pueden no ser posibles in situ . [ 19 ]

El entorno y los factores estacionales aún pueden influir en las marcas de sombra, ya que los arqueólogos trabajan en áreas con frecuentes nubes o cambios en el ángulo de sombra de las características arqueológicas periódicas. [ 1 ] [ 11 ] Asimismo, aunque pueden existir condiciones de aire y vegetación perfectas, la infraestructura moderna, las carreteras y el desarrollo urbano contemporáneo también pueden distorsionar o compactar las huellas de las marcas de sombra, lo que dificulta cada vez más su interpretación. [ 20 ] Para abordar estos problemas, los arqueólogos ahora utilizan de forma rutinaria una metodología integrada, que combina el análisis de marcas de sombra con el radar de penetración terrestre (GPR) y aplicaciones de prospección geomorfológica para verificar sus interpretaciones anteriores. [ 11 ] Estas técnicas y metodologías interdisciplinarias, en las que se confía ampliamente, proporcionan una mayor precisión en el censo de sitios arqueológicos y, en última instancia, verifican el poder de las marcas de sombra en las aplicaciones de teledetección para la arqueología. [ 11 ]

En aplicaciones recientes, se han utilizado índices espectrales (como las relaciones de bandas y el NDVI ) para disminuir los efectos artificiales de las sombras de las nubes, que ocultan características arqueológicas, incluyendo marcas de cultivos y marcas de humedad. [ 7 ] Estos índices ayudan a contrarrestar no solo los efectos atmosféricos, como la interferencia de las nubes, sino también las sombras naturales transitorias que pueden originarse por el crecimiento de la vegetación o el paso de sistemas meteorológicos. [ 7 ] El uso de estos enfoques puede mejorar la visibilidad de marcas circulares menos visibles, incluyendo aquellas que resultan de zanjas enterradas.

Además, la tecnología de radar de apertura sintética (SAR), en particular utilizando datos de banda X de COSMO-SkyMed , ha demostrado el potencial para mejorar la identificación de marcas de sombra en condiciones ambientales difíciles. [ 21 ] Cuando los datos SAR se superponen con imágenes ópticas, el enfoque combinado mejora significativamente la fiabilidad de la detección, especialmente en regiones áridas o con vegetación densa donde los métodos ópticos por sí solos son insuficientes. [ 5 ] Utilizando tanto el promedio multitemporal como las mejoras de fecha única (incluido el filtrado de moteado y el procesamiento morfológico), buscaron mejorar la detección de marcas de microrrelieve y estructuras debajo de la superficie. [ 21 ] Dos ventajas fueron que:

  1. El ruido puede suprimirse (y de hecho se suprimió) preservando eficazmente las señales débiles asociadas con características o tratamientos arqueológicos;
  2. Las imágenes de radar para el análisis del subsuelo pueden complementar los métodos ópticos existentes (y en algunas situaciones, superarlos) cuando la visibilidad es limitada. [ 21 ] [ 15 ]

Los estudios futuros sobre óptica de sombras probablemente incluirán imágenes en condiciones adaptativas en tiempo real, donde agentes (por ejemplo, sensores) son ajustados por una IA para adaptarse rápidamente a las condiciones de luz. [ 22 ] Las imágenes hiperespectrales y las mejoras en LiDAR aumentarán la clasificación precisa de las sombras y reducirán los falsos positivos y los errores. La fusión de los resultados de la física y los métodos de imagen continuará hasta sus límites, y la interpretación efectiva de las marcas de sombra constituye un marco crítico para la teledetección y la detección arqueológica de sitios y características terrestres. [ 2 ]

aplicaciones de IA

La colaboración del análisis de marcas de sombra con la inteligencia artificial (IA) ha abierto nuevas oportunidades en la teledetección arqueológica. [ 9 ] Tradicionalmente, el análisis de marcas de sombra se basaba en la interpretación de fotografías aéreas para identificar yacimientos arqueológicos. Sin embargo, los recientes avances tecnológicos en aprendizaje automático y visión artificial han permitido automatizar el análisis de marcas de sombra con mayor eficiencia y precisión. Los enfoques basados ​​en IA permiten a los investigadores analizar innumerables conjuntos de datos de imágenes aéreas y satelitales para identificar marcas de sombra con una mínima intervención humana. [ 9 ]

Un desarrollo evidente y destacado en esta área es el despliegue de redes neuronales convolucionales (CNN) para la detección y clasificación de marcas de sombra. [ 23 ] Las CNN pueden distinguir entre características de sombra arqueológicas genuinas y otros artefactos causados ​​por nubes, vegetación o características urbanas. [ 23 ] Además, los investigadores han demostrado recientemente una mayor precisión en la detección automatizada de marcas de sombra mediante el entrenamiento de modelos de IA con conjuntos de datos que contienen sitios arqueológicos conocidos. [ 9 ] Los investigadores han utilizado recientemente métodos de aprendizaje no supervisado , como algoritmos de agrupamiento, para segmentar imágenes aéreas y extraer características de sombra de posibles características subterráneas. [ 9 ] [ 23 ]

Otro avance significativo consiste en la aplicación de fotogrametría 3D y simulación de luz para mejorar la visibilidad de las sombras. Las reconstrucciones virtuales de las condiciones de iluminación permiten a los investigadores simular y recrear tanto los ángulos del sol como las sombras correspondientes, lo que les permite visualizar cómo se vería un yacimiento arqueológico bajo diferentes condiciones de iluminación. Esta técnica ha resultado beneficiosa en casos en los que las sombras reales no pueden detectarse debido a las condiciones estacionales o climáticas. [ 19 ]

La teledetección impulsada por IA también ha comenzado a emplear el procesamiento de datos multiespectrales simultáneamente con el análisis de sombras. [ 9 ] Al aplicar índices espectrales como el Índice de Vegetación de Diferencia Normalizada (NDVI), los investigadores pueden explorar patrones en la marca de sombra de un objeto, estableciendo un medio para diferenciar entre las sombras asociadas con restos funerarios y las generadas por diferencias en la vegetación. [ 9 ] La separación permite a los investigadores filtrar los falsos positivos, particularmente en áreas de bosque denso donde la distinción entre sombras de árboles y arqueológicas puede ser problemática. [ 23 ]

Estas metodologías de IA para la detección de marcas de sombra aún están limitadas por su dependencia de conjuntos de datos de entrenamiento de alta calidad que no siempre están disponibles en todo el mundo. [ 9 ] Otra preocupación es que los paisajes variables también pueden complicar y diversificar aún más los tipos de sombras producidas a lo largo del tiempo, lo que significa que los procesos de IA de reconocimiento de sombras requerirán un desarrollo y una mejora continuos. [ 23 ] No obstante, a medida que haya más conjuntos de datos disponibles, se prevé que las metodologías de IA se conviertan en una parte rutinaria de la teledetección cronológica y el análisis de sombras para la investigación arqueológica. [ 9 ] [ 23 ]

Véase también

Referencias

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