2. entender la señal tipo de procesos en teledetección ... · (huygens, maxwell) cuántica...
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2. Entender la señal electromagnética
Origen de la señal.Dominio óptico.Interacción con la atmósfera.
Tipo de procesos en teledetección
(i) reflexión; (ii) emisión; (iii) emisión-reflexión
(i)
(iii)
(ii)
Explicación de la radiación
Ondulatoria(Huygens, Maxwell)
Cuántica(Planck, Einstein)
UNIDADES DISCRETAS DE ENERGÍA (MASA=0)
Teoría ondulatoria
Campo magnético
λ = Longitud de onda F = frecuenciaCampo eléctrico
Amplitud
c = λ * f c = 3*108m/sQ = h * f h = const. PlanckQ = h*(c/ λ)
Mayor Q a mayor f o menor λ
MED
IO
CER
CA
NO
TÉRMICO
INFRARROJO
ULTR
AVIO
LETA
Espectro electro-magnético
RAYOS - XRAYOS
GAMMA
12 10 9 8 7 6 5 4 3 213 1110 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 1010
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Frecuencia (MHz)
0,01 0,1 1 10 100 1 110 10100 100,1 0,1 1Longitud de onda (λ)
Angstroms Micrómetros Centímetros Metros
UHF VHF
MICRO-ONDAS
RADAR
RADIO, TV.
ESPECTRO VISIBLE
0,4 0,5 0,6 0,7 µm
AZUL VERDE ROJO
Visible= 0,4-0,7 µm
IRC= 0,7-1,3 µm
SWIR= 1,3-2,5 µm
IRM= 2,5-8 µm
Térmico= 8-14 µm
Microondas= 1 mm-1,5 m
Magnitudes físicas (1/3)Flujo radiante φ = δQ/δt (W)
Emitancia radiativa
M = δφ/δΑ (W m-2)
Irradiancia
E = δφ/δΑ (W m-2)
Constante solar = 1300 W m-2
Intensidad radiativa
I = δφ/δΩ (W sr-1)
sobre
desde
EN TODAS LAS DIRECCIONES
por ángulo sólido
Ángulo sólido Ω
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Magnitudes físicas (2/3)
Radiancia
L = δΙ/δΑ cos θ(W m-2 sr-1) θ2
θ1
A
A’=A*cos θ
θ
aφ
Magnitudes físicas (3/3)
tφ
iφ r
φρ = φr/φi (reflectividad)
α = φa/φi (absortividad)
τ = φt/φi (transmisividad)
Leyes de la radiación electromagnética (1/2)
Mn,l emitancia radiativaH, constante de Planck (6,626 x 10-34 W s²); k, constante de Boltzmann (1,38 x 10-23 W s² K-1); c, velocidad de la luz; λ, longitud de onda, T, temperatura absoluta de un cuerpo negro (en Kelvin, K).
−
=1exp
25
2
,
kThchcMn
λλ
πλ
−
=1exp 25
1,
TccMn
λλ
λ
Planck:CUERPO NEGRO
Q=h(c/ λ) energía radiante de un fotón
Simplificar sustituyendo algunas constantes:c1 = 3,741 x 108 W m-2µm4c2 = 1,438 x 104 µm K.
CUALQUIER OBJETO POR ENCIMA DEL CERO ABSOLUTO (0 K= -273ºC) RADIA
ENERGÍA :
-Aumenta con T
- >T < λ
Emitanciaradiativa de un cuerpo negro
Línea de máxima emitancia radiativa (ley de Wien)
Ley de Planck λ max emitancia de un cuerpo
negro, conociendo T
Ley de Wien
Leyes de la radiación electromagnética (2/2)
Wien:λmax = 2898 µm K/ T (K)
Stefan-Boltzmann: TOTAL DE E RADIADA POR UNIDAD DE SUPERFICIE
Mn = σ T4
σ es la constante de Stefan-Boltzmann (5,67 x 10-8 W m-2 K-4 ),T la temperatura en Kelvin.
Para un cuerpo real (no cuerpo negro): M = ε Mn
Seleccionar λ para detectar un
objeto a unaT dada
EMITANCIA DEPENDE DE T
EMISIVIDAD (relación emitancia de una superficie y la que ofrecería un emisor perfecto
-cuerpo negro- a la misma temperatura)
El dominio óptico (0,4 – 2,5 µm)El 49% de la energía emitida por el Sol se sitúa en el espectro visible, un 42% en el infrarrojo.
La energía detectada por el sensor es una función de la reflejada.
La reflejada es una función negativa de la absorbida por la cubierta.
aφ
iφ
rφ
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Factores que inciden en la reflectividad de una cubiertaElementos que absorben (agua, pigmentos, minerales).Rugosidad superficial (reflectividad lambertiana o especular).Ángulos de observación e iluminación.
Tipos de reflectoresÁnguloIncidencia
ÁnguloReflexión
REFLECTOR ESPECULAR REFLECTOR LAMBERTIANO
A V R IRC SWIR
0
10
20
30
40
50
60
70
0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 λ (µm)
% re
flect
ivid
ad
80
Firmas espectrales
vegetaciónarena
agua
nievehormigón
incidente
reflejada
LL
=ρ
Colores resultantes
Vegetaciónvigorosa
Suelo descubierto
AguaVegetaciónseca
Nieve
Factores que modifican la reflectividad característica
(i) altura solar(ii) orientación(iii) pendiente(iv) atmósfera(v) fenología(vi) sustrato
Chuvieco (1996, p. 61)
Reflectividad de la vegetaciónReflectividad de la hoja:
Pigmentos.Estructura de la hoja.Humedad
Dosel vegetal.Proporción hoja / lignina / sueloGeometría de las hojas.
Ángulos de observación.
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Curva característica de la hoja
Pigmentos Estructura Contenido de aguahoja celular
Espectro de absorción de la clorofila
Estructura de la hoja Factores: Humedad de la hoja
Vaughan, 2001
Reflectividad de jara (Cistus ladanifer ) para distintos valores de FMC
0
10
20
30
40
50
60
400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400
longitud de onda
% re
flect
ivid
ad
142.1131.6118.9102.678.448.925.316.36.30.0
FMC
Deterioro de la hoja y
reflectividad.
Simulación de distintas variables
Ceccato et al. 2001
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La reflectividad de una hoja no es igual a la de la planta
Magritte, 1963, La Belle Saison, CA
R = Er / Ei
Características del doselÁngulos de observación
Variación estacional de
la reflectividad hoja-dosel
Variaciones espectrales de la reflectividad del trigo de primavera en Arizona. En la parte superior, ref de las hojas medida con una esfera de integración; en la inferior ref del dosel con iluminación solar (Pinter et al, 2003).
Arquitectura del doselLa existencia de varios estratos de hojasmodifica la reflectividad efectiva de la vegetación:I - incidenteR - reflejadoT - transmitido
(Adaptado de Belward, 1991)
Arquitectura de la PlantaCantidad de hojas: LAIGeometría de las hojas: LADComponentes vivos / muertos.Reflectividad del fondo
Índice de área foliar (LAI)Área de las hojas por una unidad de superficie de terreno. Variantes:
Hojas verdes o también secas.Sólo hojas o también troncos.
Clave para cálculo de biomasa y productividad vegetal.Valores típicos:
Desierto: 1Zonas agrícolas: 3-5Praderas: 3-7Bosques caducos: 5-8.
Efecto del Índice de Área Foliar
Short, 2000
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Distribución angular de las hojas (LAD)
Angulo de las hojas respecto a la horizontal:
Erectófilas: 90ºPlanófilas: 0ºHemisféricas: +- 180ºUniformes: igual angulo
Puede variar dentro del mismo individuo (hojas superiores e inferiores).
Factores en la reflectividad del suelo
Minerales en el suelo (cuarzo, feldespatos, silicatos).Materia orgánica.Óxido de hierro.Contenido de agua.Textura y estructura.Disposición vertical y horizontal.Ángulos de observación e iluminación.
CO
MP
OS
ICIÓ
N
QU
ÍMIC
AC
OM
PO
SIC
IÓN
Q
UÍM
ICA
COLOR DOMINANTE
Mineralogía y reflectividad
6 7 8 9 10 12 15 20Wavelength (µm)
Gypsum
Anhydrite
Halite
Calcite
Magnesite
S i de r i t e
Dolomite
2.52.01.51.00.50.40
20
40
60
80
100
Halite
Calcium Carbonate
Gypsum
Sodium Sulphate
Sodium Bicarbonate
Wavelength (µm)
Efecto de los principales factores
↑ Contenido de agua: ↓reflectividad.Textura del suelo (% arena, limo y arcilla): ↑ reflectividad cuando ↓tamaño de las partículas.↑ Materia orgánica: ↓reflectividad.↑ Óxido de hierro:↓ reflectividad.↓ Rugosidad: ↑ reflectividad.
Humedad del suelo
Relación inversa: bandas de absorción en 1.9, 1.4, < 0.97, 1.2, 1.77 µm
20
60
100
Perc
ent R
efle
ctan
ce
0.5 0.7 1.1 1.30
Wavelength (µm)
80
40
0.9 1.5 1.7 1.9 2.1 2.3 2.5
Silt
Sand
10
30
50
70
90
Jensen, 2000
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Materia orgánicaAl aumentar, decrecela reflectividad en todo el espectro.Cuando los valoresson altos, se puedenenmascarar otrosrasgos de absorción. (MO < 2-2.5%)
Oxido de hierro y materia orgnáica son las dos propiedades de los suelos más importantes, y se relacionan con los suelos degradados, particularmente en el rango de 500 a 1200 nm
Rugosidadsuperficial
Diferencias en apelmazamientoPrácticas culturales
0
10
20
30
40
50
60
450 500 550 600 650 700 750 800Wavelength (nm)
Ref
lect
ance
(%)
puffy crustsalty crustnon-saline, silty clay crustcracked salty crustmullido crustploughed field
Metternich, 2004
Factores en la reflectividad del agua
Contenido de clorofila:Absorción en el visible.Reflexión en el IRC.
Materiales en suspensión.Rugosidad superficial.
Inundaciones en Banda Aceh
http://www.spaceimaging.com
Efectos de la clorofila a
LN C
loro
fila
a
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Distribución mundial de Cl
Clorofila estimada para Sept. 97: Seawifs
Turbidez
Manaos, Brasil Imagen Aster, 2001
Cortesía Nasa
Factores en la reflectividad de la nieve
Compactación.Grado de mezcla con suelo.Tamaño de los cristales.Absorción en el IRM (contraste con las nubes).
Reflectividad de la nieve
Longitudde onda (µm)
refle
ctiv
idad
100
80
60
40
20
0
Hielo glacial sucio
Hielo glacial
Nieve fresca
Seguimiento de glaciares
Glaciar JUNEAU en su parte más meridional. Utiliza las bandas 5,4,2 (RGB) La imagen de la izquierda corresponde al año 1986 mientras que la de la derecha es de 1995
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Diferencia nieve-nubes
Imagen Landsat-TM del volcán Cotopaxi (Ecuador)
Infrarrojo térmicoLa temperatura radiativa es el parámetro clave:
La energía emitida depende de la absorbida en otras longitudes de onda. En el térmico:
1 = ρ + ε (ley de Kirchoff).Temperatura = f (Radiancia en el sensor, longitud de onda, emisión atmosférica, emisividad de la cubierta).
Factores de interésInercia térmicaRelaciones temperatura y ETEfectos sobre el clima
Emisividades3-5 µm 10.3-11.3 µm
Rocas ígneas 84 - 95 % 85 - 94 %
Rocas sedimentarias 72 - 95 % 95 - 98 %
Suelos 70 - 91 % 96 - 98 %
Hojas verdes 94 - 98 % 95 - 98 %
Hojas secas 75 - 97 % 83 - 95 %
Agua 97 - 98 % 99 - 99.5 %
Hielo 93 - 97 % 97 - 98 %
Petróleo 95 - 96 % 95 - 98 %
Salisbury y D’Aria, 1994
Temperatura de superficie, TS
(Sánchez, 1998)
Micro-ondas / RadarIndependientes de las condiciones de iluminación y las condiciones atmosféricas (all-weather sensor).Información subsuelo (o bajo arbolado).Permite medir distancias.
Observación óptica y en micro-ondas
A la derecha, imagen óptica del JERS-1. A la izquierda, imagen radar el mismo satélite. Manaos, 1993. Cortesía NASDA.
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Interacción con la atmósfera Composición de la atmósfera
GasesO3, H2O, O2, CO2, CH4 y N2O
AerosolesPartículas sólidas, humo, polvo desértico...Partículas líquidas, gotículas de agua
Nubes
Efectos de la atmósfera
Absorción (filtro): Atenuación de la señal; evitar ciertas longitudes de onda
Dispersión (reflexión):Separar la reflectividad de la atmósfera y del suelo
Emisión (generación):Separar temperatura de la atmósfera y del suelo
Efectos de la absorciónVisible-NIR-SWIR:
Atenuación de la señal.Nubes.
Térmico:Temperatura de la atmósfera.Atenuación de la señal.Nubes
Componentes de absorción
Oxígeno molecular (O2): ultravioleta < 0,1 µm, IRT.Ozono (O3): ultravioleta < 0.3 µm, micro-ondas (27 mm).Vapor de agua: 6 µm, menor 0,6 y 2 µm.CO2: IRT (15 µm), e IRM (2,5 a 4,5 µm).
Ventanas atmosféricas
(adaptado de Lillesand y Kiefer, 1994)
0,4 0,7 1 2 3 5 10 10.000
100
50
TransmisividadAtmosférica (%)
µm(...)0
11
Principales ventanas atmosféricas
7,0 – 15,064,2 – 5,053,0 – 3,642,0 – 2,631,5 – 1,820,3 – 1,31
Banda espectral (µm)Ventana
Interés para detectar gases
Jensen, 2004
Detección de Ozono
Dispersión atmosféricaFactores:
Vapor de agua.Aerosoles.
Tipos de aerosoles:Origen húmano
Contaminación industrial.Quemas forestales/pastizales.
NaturalesPolvo desértico.Partículas de agua oceánica.Erupciones volcánicas (sulfatos).
Tipos de dispersiónatmosférica
Rayleigh: ∅ < λ. Afecta a las más λ cortas (1/λ4) y es la más intensa: cielo.
Mie: ∅≈λ. Afectan a mayores λ: aerosoles y polvo atmosférico.
No selectiva:∅>λ. Por igual en cualquier λ: nubes
0,6 0,70,4 0,5 0,9 µm λ
20
40
60
80
0,8
Inte
nsid
ad d
e la
dis
pers
ión
(%)
Dispersión Rayleigh a distintas longitudes de onda
(adaptado de Campbell, 1987)
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Efecto de la dispersión atmosférica
Imagen TM de Cabañeros (Septiembre 1997)Color natural sin y con expansión
EmisiónResulta clave en estudios de temperatura (10-15º C).El vapor de agua es el factor más destacado.Puede abordarse la corrección con algoritmos multi-canal (split window).
Necesidad de la corrección atmosférica
Cuando se aplican transformaciones multiespectrales. Cuando se trabaje con distintos sensores / fechas.Cuando se compara con radiómetros ocon modelos físicos.