Cap01.pdf Power Point Teledeteccion W2 W4

TELEDETECCIÓN Capítulo 1 - Principios físicos de la Teledetección

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TELEDETECCIÓN Observación de un objeto Sin mediar contacto con él Por medios acústicos, visuales, etc. Restricciones: La observación se realiza desde plataformas espaciales Mediante energía electromagnética: luz, calor, etc. Se analiza la superficie terrestre 2

TELEDETECCIÓN Es aquella técnica que nos permite adquirir información de la superficie terrestre mediante el empleo de energía electromagnética desde sensores instalados en plataformas espaciales.

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SISTEMA DE TELEDETECCIÓN ESPACIAL Fuente de energía Teledetección pasiva Teledetección activa Superficie terrestre Sistema sensor Sistemas de recepción-comercialización Interprete o usuario 4

TELEDETECCIÓN PASIVA

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TELEDETECCIÓN ACTIVA

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SISTEMA DE TELEDETECCIÓN ESPACIAL Fuente de energía Teledetección pasiva Teledetección activa Superficie terrestre Sistema sensor Sistemas de recepción-comercialización Interprete o usuario 4

Sistema sensor

Atmósfera

Fuente de energía

Cubierta terrestre

Sistema de recepción Tratamiento visual

Tratamiento digital Usuario final

RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA El flujo energético entre Tierra y sensor es siempre mediante radiación electromagnética La energía electromagnética se manifiesta de dos formas: Como una onda que se propaga de manera continua a la velocidad de la luz. Como una sucesión de unidades discretas de energía llamadas fotones o 10

cuantos.

LA RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA COMO UNA ONDA Velocidad de propagación c=3·108 m/s. Está constituida por dos campos: eléctrico y magnético perpendiculares entre sí. Longitud de onda λ es la distancia entre dos picos sucesivos de la onda. Frecuencia ν es el número de ciclos en la unidad de tiempo.

c =λ ν

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LA RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA COMO UN FOTÓN Todo cuerpo radiante emite energía de forma discreta en unidades llamadas fotones. La energía de un fotón de radiación con frecuencia ν es

Ε=hν h es la cte. de Planck 6'626 ·10-34 J s. 13

Espectro electromagnético La tabla a continuación muestra el espectro electromagnético, con sus longitudes de onda, frecuencias y energías. Long. de onda

Frecuencia

Energía

< 10 pm

>30.0 EHz

>19.9E-15 J

Rayos X

< 10 nm

>30.0 PHz

>19.9E-18 J

Ultravioleta Extremo

< 200 nm

>1.5 PHz

>993E-21 J

Ultravioleta Cercano

< 380 nm

>789 THz

>523E-21 J

Luz Visible

< 780 nm

>384 THz

>255E-21 J

Infrarrojo Cercano

< 2.5 um

>120 THz

>79.5E-21 J

Infrarrojo Medio

< 50 um

>6.00 THz

>3.98E-21 J

Rayos gamma

Infrarrojo Lejano/submilimetrico

< 1 mm

>300 GHz

>199E-24 J

Microondas

< 30 cm

>1.0 GHz

>1.99e-24 J

Ultra Alta Frecuencia Radio

<1 m

>300 MHz

>1.99e-25 J

Muy Alta Frecuencia Radio

<10 m

>30 MHz

>2.05e-26 J

Onda corta Radio

<180 m

>1.7 MHz

>1.13e-27 J

Onda Media(AM) Radio

<650 m

>650 kHz

>4.31e-28 J

Onda Larga Radio

<10 km

>30 kHz

>1.98e-29 J

Muy Baja Frecuencia Radio

>10 km

<30 kHz

<1.99e-29 J

Espectro electromagnético La tabla a continuación muestra el espectro electromagnético, con sus longitudes de onda, frecuencias y energías. Long. de onda

Frecuencia

Energía

< 10 pm

>30.0 EHz

>19.9E-15 J

Rayos X

< 10 nm

>30.0 PHz

>19.9E-18 J

Ultravioleta Extremo

< 200 nm

>1.5 PHz

>993E-21 J

Ultravioleta Cercano

< 380 nm

>789 THz

>523E-21 J

Luz Visible

< 780 nm

>384 THz

>255E-21 J

Infrarrojo Cercano

< 2.5 um

>120 THz

>79.5E-21 J

Infrarrojo Medio

< 50 um

>6.00 THz

>3.98E-21 J

Rayos gamma

Infrarrojo Lejano/submilimetrico

< 1 mm

>300 GHz

>199E-24 J

Microondas

< 30 cm

>1.0 GHz

>1.99e-24 J

Ultra Alta Frecuencia Radio

<1 m

>300 MHz

>1.99e-25 J

Muy Alta Frecuencia Radio

<10 m

>30 MHz

>2.05e-26 J

Onda corta Radio

<180 m

>1.7 MHz

>1.13e-27 J

Onda Media(AM) Radio

<650 m

>650 kHz

>4.31e-28 J

Onda Larga Radio

<10 km

>30 kHz

>1.98e-29 J

Muy Baja Frecuencia Radio

>10 km

<30 kHz

<1.99e-29 J

ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO Sucesión creciente de longitudes de onda de todas las radiaciones conocidas.

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Longitud de onda

Apl. en Teledetección

Rayos gamma

<0'03 nm

Superficies sin atm.

Rayos X

0'03nm - 3 nm

Estudios a baja altura

Ultravioleta

3 nm - 0'4µm

Sin utilidad

Visible

0'4 µm - 0'7 µm

Mucha aplicación

Infrarrojo cercano

0'7 µm - 1'3 µm

Discrim. de veg.

Infrarrojo medio

1'3 µm - 8 µm

No es muy útil

Infrarrojo térmico

8 µm - 14 µm

Emisión terrestre

Microondas y radar

> 1 mm

Útil (transp. de nubes)

LEYES DE LA RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA Algunas definiciones

Todo cuerpo con temperatura superior al cero absoluto emite radiación en todas las longitudes de onda. Cuerpo negro es el que es capaz de emitir y absorber energía de forma perfecta. Radiancia espectral : intensidad de energía radiada por unidad de superficie, longitud de onda y ángulo sólido. 16

ECUACIÓN DE PLANCK

2

Lλ(λ,T) =

17

2hc 5

λ (e

hc/λkT

-1)

LEYES DE LA RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA Algunas definiciones

Energía radiante Q: Energía transportada por la onda electromagnética en todas direcciones. (J). Densidad de energía radiante W : Energía radiante por Unidad de volumen. dQ/dV. (J/m3) . Flujo radiante Φ: Energía radiada por una superficie en todas direcciones por unidad de tiempo. dQ/dt. (W). 19

LEYES DE LA RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA Algunas definiciones

Intensidad radiante I: Flujo radiante emitido por una fuente puntual por unidad de ángulo sólido I = d Φ/dΩ Exitancia o emitancia radiante M : Flujo radiante desde una superficie plana, por unidad de área M=dΦ/dS. (W/m2) Irradiancia radiante E : Flujo radiante sobre una superficie plana, por unidad de área. E=dΦ/dS. (W/m2) 20

.

RADIANCIA L = d Φ cos θ / dS d Ω Flujo radiante por unidad de superficie y por unidad de ángulo sólido en una dirección. Si la radiancia se define por unidad de longitud de onda: radiancia espectral. Radiación ISOTRÓPICA: La radiancia es independiente de la dirección. Superficie LAMBERTIANA: Refleja la energía incidente por igual en todas direcciones. 21

INTERACCIÓN DE LA RADIACIÓN CON LA MATERIA

Φe

Φi

Φr Φa

Φt

Φi = Φa + Φt+ Φr 22

INTERACCIÓN DE LA RADIACIÓN CON LA MATERIA

Φe

22

INTERACCIÓN DE LA RADIACIÓN CON LA MATERIA

1 = Φr/Φi + Φa /Φi+ Φt /Φi Reflectancia o albedo ρ : Cociente entre el flujo de energía reflejado y el incidente. Absortividad α : Cociente entre el flujo de energía absorbido y el incidente. Transmitancia o transmisividad τ: Cociente entre el flujo de energía transmitido y el incidente. En todo cuerpo la suma de estos tres parámetros es igual a 1. 23

INTERACCIÓN DE LA RADIACIÓN CON LA MATERIA Para un cuerpo negro la reflectividad y la transmitancia son nulas. Es decir absorbe toda la energía que le llega

Φe

Φi Φa 24

Φi = Φa

INTERACCIÓN DE LA RADIACIÓN CON LA MATERIA Para cualquier cuerpo “gris” La proporción de flujo incidente que es reflejado, transmitido y absorbido Depende del tipo de superficie De la longitud de onda Este fenómeno da lugar al COLOR si la longitud de onda corresponde al visible.

24

Refleja toda la energía que recibe en la banda del amarillo. No transmite ni absorbe en esa banda.

REFLECTIVIDAD, REFLECTANCIA O ALBEDO Depende de la longitud de onda Para una misma λ, depende del tipo de superficie: Especular: refleja la energía con el mismo ángulo de flujo incidente. Lambertiana: la refleja uniformemente en todas direcciones. La mayoría de las superficies se comportan de forma intermedia dependiendo de la longitud de onda. Si la longitud de onda es grande el comportamiento es especular. Si es más pequeña, las rugosidades difunden la energía incidente. 25

EMISIVIDAD Un cuerpo negro emite energía de forma perfecta. Emisividad espectral es el cociente entre la emitancia de un cuerpo y la del cuerpo negro ε (λ) = M(λ) / M (λ) n

ε (λ) = 1 Cuerpo negro o radiador perfecto 0 <ε(λ) <1 Cuerpo gris ε(λ) =0 Reflector perfecto Un buen emisor es un mal reflector y viceversa. 26

UTILIDAD DE ESTAS MAGNITUDES EN TELEDETECCIÓN Los cuerpos que nos rodean tienen valores de emisividad y reflectancia dependientes de λ y comprendidos entre 0 y 1. Esto permite identificar mediante Teledetección los diferentes cuerpos en la superficie terrestre ya que: Reflejan de diferente forma una radiación incidente de una longitud de onda determinada. Emiten de diferente forma en una longitud de onda determinada.

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VARIABLES ESTUDIADAS EN TELEDETECCION La imagen viene formada por números digitales (ND). Se convierten a radiancia L, mediante una transformación lineal Si se trata de energía emitida: L se convierte a temperatura mediante la ecuación de Planck Si es energía reflejada: L se convierte a reflectividad o albedo mediante la expresión ρ = (K π L)/(E cos θ) K y E dependen del sensor y θ es el ángulo cenital 28

SIGNATURA ESPECTRAL Signatura o firma espectral es la curva que representa la reflectancia que tiene un tipo determinado de superficie en función de la longitud de onda. Da idea de la respuesta que tendrá esa superficie a la radiación incidente y que podrá ser captada por un sensor que trabaje a una longitud de onda determinada.

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INTERACCIÓN ATMOSFÉRICA La atmósfera influye sobre la energía que llegaría al sensor, debido a su composición química y las partículas en suspensión (aerosoles) que contiene. Se pone de manifiesto mediante dos fenómenos: Absorción : reduce la energía en determinadas longitudes de onda debido a la opacidad de algunos componentes atmosféricos a la radiación en dichas longitudes de onda. Dispersión : produce un cambio en la dirección de desplazamiento de la radiación debido a la interacción de la misma con las partículas en suspensión. 31

ABSORCIÓN

FILTRO (Componentes quimicos)

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ABSORCIÓN Algunos componentes atmosféricos actúan como filtros dejando pasar solo algunas longitudes de onda. Cuando el flujo electromagnético los atraviesa absorben selectivamente en algunas bandas. El haz emergente presenta unos mínimos en las longitudes de onda absorbidas. Estas bandas en las que se presentan los mínimos se llaman bandas de absorción . Si la absorción es muy alta para una longitud de onda, esa no será útil en Teledetección: UV. El vapor de agua es el componente que más absorbe. 32

ABSORCIÓN Ventanas espectrales son aquellas zonas del espectro para las que la atmósfera es transparente a la radiación electromagnética. Visible: casi transparente. Infrarrojo: Ventanas de diferente ancho.

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DISPERSIÓN Se produce por el choque de las ondas con las partículas en suspensión o los componentes atmosféricos. Aerosol : Solución en la que el tamaño de las partículas en suspensión está entre 1 y 200 µm. El medio de dispersión es gas y la fase dispersa sólido o líquido. Su efecto es que la dirección del flujo electromagnético cambia y se produce la suma de rayos procedentes de diferentes lugares. Aumenta la radiación difusa: Se pierde contraste. Puede ser selectiva para las diferentes longitudes de onda y no selectiva . 36

DISPERSIÓN

DIFUSOR (Partículas en suspensión)

DISPERSIÓN SELECTIVA Se produce si las partículas en suspensión son pequeñas. Dispersión de Rayleigh (d p < λ ): Si las partículas son muy pequeñas, con diámetro inferior a la longitud de onda de la radiación. Afecta más a las longitudes de onda cortas. Desvía dentro del visible más el azul que el rojo: El cielo se ve azul. En Teledetección puede producir un color azulado a las imágenes. Dispersión de Mie (d p = λ ): se produce en partículas con diámetro similar a la longitud de onda de la radiación. Produce neblina en las imágenes. 38

DISPERSIÓN NO SELECTIVA Se produce si las partículas son muy grandes, como las nubes o polvo en suspensión (d p> λ ). Afecta por igual a todas las longitudes de onda dando lugar a una atenuación en la señal detectada por el sensor. Cualquier tipo de dispersión es difícil de cuantificar y es especialmente problemática en Teledetección en estudios multi-temporales. 39

CORRECCIÓN ATMOSFÉRICA La radiancia que llega al sensor tiene varios orígenes. El proceso de corrección es complejo. Existen varios algorítmos de diferente complejidad y que dependen del tipo de la cubierta y de la exactitud que se desee.

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CORRECCIÓN ATMOSFÉRICA La mayor exactitud se consigue si se conocen datos de la atmósfera: temperatura, presión y humedad relativa a diferentes alturas. Por medidas de sensor:TOVS Por radiosondeos. Mediante algoritmos particularizados para la longitud de onda de trabajo y el tipo de superficie observada. Ejemplo: Método "split-window" para corrección de la temperatura del mar.

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CORRECCIÓN ATMOSFÉRICA Método "split-window" Se emplea para corregir los efectos de la atmósfera en las imágenes AVHRR térmicas La radiancia real que llega al satélite es suma de La emitida por la superficie de la Tierra La producida por efectos de dispersión por los componentes de la atmósfera La proveniente de la radiación solar y reflejada en la superficie de la Tierra La producida por la emisión atmosférica hacia abajo y reflejada en la Tierra La emitida por la atmósfera hacia el satélite 43

CORRECCIÓN ATMOSFÉRICA Método "split-window" para mar En el caso del mar, se supone La superficie del mar emitiendo la misma radiación en todas direcciones La emisividad del agua del mar igual a 1 La absorción debida sólo al vapor de agua Desprecia El efecto de la dispersión debido a que λ es grande. La radiancia proveniente de la radiación solar reflejada Ts = a T 4 + b (T4-T5 ) + c a, b y c dependen de la zona de estudio y de la época del año 44