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INTRODUCCIÓN A LA TELEDETECCIÓN CUANTITATIVA
Haydee Karszenbaum – Veronica Barrazza
[email protected]@iafe.uba.ar
Teledetección cuantitativa
Clase 1.5: Interacciones en el óptico: firmas espectrales
Parámetros de teledetección Parámetros ambientales
Magnitudes básicasReflectancias para cada banda, B1,….,Bn
Temperaturas
Coeficiente de backscattering
Emisividad
Magnitudes/parámetros derivadosÍndices (varios)(para distintas longitudes de onda)
Mapas de uso y coberturaBiomasa, LAIPorcentaje de coberturaHumedad del sueloContenido de agua en la hojaTipos forestalesRendimiento agrícolaProductividadErosiónDesertificaciónRiesgo de incendioColor del mar- productividadotros
Sistemas ópticos/térmicos/microondas
?Interacciones
Principio de conservación de la energíaPrincipio de conservación de la energía
Interacción de la radiación em con la materia
¿Cómo se distribuye la energía que llega del
sol?
tari EEEE i
r
EE
i
a
EE
i
t
EE
La forma en la cual un objeto refleja, emite o absorbe la energía em conforma un patrón espectral denominado FIRMA ESPECTRAL.
La misma permite identificar y discriminar diferentes objetos dela naturaleza.
La firma espectral se “construye” a partir de la señal registrada por los SR en las diferentes porciones del Espectro em
FIRMA ESPECTRAL
Preguntas que nos formulamos…
• ¿Cuáles son las propiedades importantes del agua observables en una imagen de teledetección?
• ¿Cuáles son las propiedades del agua que nos gustaría obtener?
¿Cómo se distribuye la radiación em que llega al agua?
Tres contribuciones a la reflectancia: especular, del fondo y del volumen de agua (contiene información sobre la calidad del agua).
También de la atmósfera
Radiación solar
Trasmisión
Radiacióndetectada por el sensor
Radiaciónemergente
Radiación reflejadaespeculamente
Radiaciónemitida
¿Cómo se distribuye la radiación em que llega al agua?
Absorción
Retrodispersión
Emisión
Dispersión
Radiación solar
Trasmisión
Radiacióndetectada por el sensor
retrodispersión
reemisión
Radiaciónemergente
absorción
dispersión
Radiación reflejadaespeculamente
Radiaciónemitida
¿Cómo se distribuye la radiación em que llega al agua?
1. Para agua clara, La reflectancia es baja en el visible y desaparece en los infrarrojos.
2. La transmitancia es significativa en el visible, pero disminuye en los infrarrojos donde la absorbancia es dominante.
Tipos de agua: firmas espectrales
Tipos de agua: firmas espectrales
2. Efecto de la clorofila: a medida que aumenta la concentración de clorofila en el agua (por presencia de algas, phytoplankton), disminuye la reflectancia en le azul y aumenta la reflectancia en el verde.
Existe un punto “hinge point”, punto de cruce de concentraciones clorofila de distinta magnitud (510-520 nm).
3. Efecto de la turbidez: el pico de reflectancia se corre hacia longitudes de onda más altas a medida que aumenta la turbidez.
Reflectancia en volumen. El agua clara refleja muy poco, pero el agua turbia es capaz de reflejar importantes cantidades de la radiación solar incidente
Tipos de agua: firmas espectrales
Reflectancias en porcentaje con distintas concentraciones de algas y sedimentos suspendidos de 0-500mg/l
Reflectancias en porcentaje con distintas concentraciones de algas y sedimentos suspendidos de 0-500mg/l
Reflectancias en porcentaje de aguas con algas y agua clara medido con une espectroradiómetro en superficie.
Observen la intensa absorción por clorofila en el intervalo entre 400 y 500 nm y nuevamente en la zona del rojo en 675 nm.
Reflectancias en porcentaje de aguas con algas y agua clara medido con une espectroradiómetro en superficie.
Observen la intensa absorción por clorofila en el intervalo entre 400 y 500 nm y nuevamente en la zona del rojo en 675 nm.
Tipos de agua: firmas espectrales
Un estimador de la concentración de clorofila en general es un estimador de la biomasa en superficie o productividad.
Numerosos estudios documentan la relación entre las bandas espectrales y la concentración de clorofila:
Chl = x [L(l1)/L(l2)]y
Donde L(l1) y L(l2) son las radiancias medidas por el sensor remoto en longitudes de onda seleccionadas y x e y constantes obtenidas de relaciones empíricas.
Los algoritmos más importantes, utIlizando las bandas del SeaWiFS, incluyen el uso de los cocientes entre bandas 443/355 nm y 490/555 nm.
Un estimador de la concentración de clorofila en general es un estimador de la biomasa en superficie o productividad.
Numerosos estudios documentan la relación entre las bandas espectrales y la concentración de clorofila:
Chl = x [L(l1)/L(l2)]y
Donde L(l1) y L(l2) son las radiancias medidas por el sensor remoto en longitudes de onda seleccionadas y x e y constantes obtenidas de relaciones empíricas.
Los algoritmos más importantes, utIlizando las bandas del SeaWiFS, incluyen el uso de los cocientes entre bandas 443/355 nm y 490/555 nm.
¿Cómo pasar de la variable propia de teledetección a concentración de clorofila?
Es posible delinear cuerpos de agua facilmente utilizando las longitudes de onda del IR (separar agua de tierra).
Comportamiento espectral del agua en el rango óptico : resumen
El contenido de clorofila en el agua aumenta la reflectancia en el verde y permite el monitoreo de algas y de concentraciones en aguas pocoprofundas.
Para aspectos sobre la condición del agua, es importante la contribución del visible.
La presencia de arena, barro, rocas en el fondo, material inorgánico en suspensión, clorofila, todo esto influye sobre el comportamiento espectral del agua.
La reflectancia de agua clara es menor a la de agua contaminada y menor aún a la del agua con sedimentos
El derrame de petróleo puede detectarse en el ultravioleta y en el azul. La longitud de onda del verde permite delinear la porción más densa del derrame.
(1) (2) (3)
0,4 0,450,5 0,550,6 0,650,7
ETM
longitud de onda (µm)
(1) (2) (3)(4)(5) (6)
0,4 0,450,5 0,550,6 0,650,7
SeaWiFS
Bandas en el visible: cantidad, ancho y ubicacion
Preguntas¿Cómo son los valores de energía reflejada del agua bajos, medio, altos?
¿Cuál debería ser la resolución radiométrica de un sistema para monitorear calidad de agua?
¿En qué zona del espectro em deberían estar las bandas?
Si se quiere determinar clorofila, donde deberían estar las bandas ubicadas? Podría determinar clorofila con el Landsat?
Podría discriminar agua clara de agua con sedimentos con el Landsat?
No vemos los peces pero……desde un sensor remoto
Podemos determinar productividad primaria, concentración de sedimentos, temperaturas de superficie…..
Aportes de la teledetección en pesquerías
Suelos: firmas espectrales
¿Cómo se distribuye la energía que llega?
Reflectancia del suelo
1. Contenido de humedad
2. Contenido de materia orgánica
3. Tamaño de las partículas (superficie)
4. Contenido de óxido de hierro
5. Mineralogía
6. Estructura
20
60
100
0.5 0.7 1.1 1.30
Wavelength (m)
80
40
0.9 1.5 1.7 1.9 2.1 2.3 2.5
Silt
Sand
10
30
50
70
90 Espectro de suelo seco
Característica clave: la reflectancia aumenta con el aumento en la longitud de onda del visible al infrarrojo medio
Suelos: firmas espectrales
El agua impregna las partículas, llenalos espacios de aire y reduce la posibilidad de scattering (dispersión) de la luz incidente, por lo tanto sueloshúmedos se verán más oscuros que los suelos secos en el VNIR y SWIR
Los suelos húmedos se ven másoscuros en la región SWIR donde la absorción por agua aumentasignificativamente con el aumento de la longitud de onda.
specular reflectance
incident energy
interstitial air space
specular reflectance
soil water
a.
b.
dry soil
wet soil
volume reflectancespecular reflectance
incident energy
Suelos: efecto de la humedad
La arcilla retiene más el agua que la arena.
Por lo tanto, el espectrode arcilla muestra lasbandas de absorción de agua máspronunciadamente que la arena.
20
60
0.5 0.7 1.1 1.30
40
0.9 1.5 1.7 1.9 2.1 2.3 2.5
22 – 32%
10
30
50Sand
20
60
0.5 0.7 1.1 1.30
Wavelength (m)
40
0.9 1.5 1.7 1.9 2.1 2.3 2.5
35 – 40% 10
30
50 2 – 6%
0 – 4% moisture content
5 – 12%
Clay
a.
b.
SandSandSand
ClayClayClay
Suelos: efecto de la humedad y de la texturaSuelos: efecto de la humedad y de la textura
Los suelos y los residuos son espectralmente similares en el visible y en el IR. Los residuos pueden ser
mas brillantes o masoscuros que el suelo.
El espectro de residuosde cultivos tiene unabanda de absorción en 2100 nm.
La presencia de aguaoscurece parcialmente los patrones de absorción del residuo.
Suelos: efecto de la humedad y del rastrojoSuelos: efecto de la humedad y del rastrojo
La nieve y las nubes se pueden diferenciar fácilmente en la porción del infrarrojo medio. La reflectancia de la nieve es muy característica. Toma valores altos en el visible y el infarrojocercano, pero desciende a casi cero en las bandas de absorción de agua y mantiene valores bajos en la zona cercana.
En contraste las nubesson dispersores no selectivos y reflejan en el rango espectral de 400-2500nm.
Nieve y nubes : firmas espectrales
Vegetación: firmas espectrales
¿Cómo se distribuye la energía que llega?
0.4 -0.7 µm, la reflectancia es baja, la transmitancia es casi 0 y la absorbancia esalta. Qué controla la interacción entre la energía y vegetación?: los pigmentos de la planta (fotosíntesis).
0.7-1.35 µm, tanto la reflectancia comola transmitancia son altas, mientras que la absorbancia es baja. Qué controla?: la estructura interna de la hoja.
1.35 – 2.5 µm, a medida que λ aumenta la reflectancia y la transmitancia disminuyen y por el contrario la absorbancia aumenta. Qué controla?: el contenido de agua en la hoja es el principal responsable, en segundolugar la estructura interna de la hoja.
Propiedades de scattering y absorción de componentes del dosel (hojas, ramas, flores, frutos, suelo, etc)
Arquitectura del dosel (biomasa en pie, índice de área foliar, arreglotridimensinald del follaje - por ejemplo, están todas las hojas en una misma capa, son verticales, se distribuyen como una esfera-etc.)
Direcciones de iluminación y observación (es el sol la única fuente de iluminación, o aerosoles y moléculas aportan también a la iluminación hemisférica; cuál es la dirección de observación, el nadir, otra?)
la reflectancia de un dosel....
Vegetación: firmas espectrales
Diferencias en las células: agua
• Los patrones de absorciónpueden ayudar a determinarel contenido de agua de lashojas.
• Las diferencias en el contenido de agua puedenindicar especies diferentes o niveles diferentes de stress hídrico en plantas de unamisma especie.
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
0.35 0.85 1.35 1.85 2.35
Wavelength (µm)
Red edge position:indicates canopy
structure andchlorophyll content
Water absorption features:indicates canopy
water content
Water stressed cotton
Well irrigated cotton
Greenberg et al. 2001, healthy and water stressed cotton spectra.
propiedadespropiedades de scattering y de scattering y absorciabsorcióónn de de laslas hojashojas
Vegetación: firmas espectrales
Las características del “salto”del R al IR es un indicador del stress y la productividad en la vegetación
El borde Rojo !!!
Vegetación: firmas espectrales
Wavelength, nm400 600 800 1000 1200
refle
ctan
ce(%
)
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
very high leaf area
very low leaf area sunlit soil
La reflectancia del dosel varía con el índice de área foliar…
En suelo de “brillo” moderado:- En el visible, la reflectancia del del medio (suelo + vegetación) disminuye a
medida que el LAI aumenta- En el IR cercano, la reflectancia aumenta con el aumento de LAI
- El “red edge” no sólo se modifica con la concentración de pigmentos vs. estructura de la hoja sino también con el aumento del área foliar.
Qué pasa con el LAI?
Vegetación: firmas espectrales
Vegetación: firmas espectrales: Influencia de la posición de las bandas
espectrales en la discriminación firmas
Landsat
refle
ctan
cia
(med
ia)
bandas
1 2 3 4 5 7azul verde rojo IrC IrM IrM
20
100
Firma espectral
Existen varias opciones para el cálculo de Lp:
A. Cálculo de Lp si solo se considera el efecto molecular, existe un modelo desarrollado por Rayleigh para calcular Lp a partir del día juliano y el ángulo cenital solar.
Firma espectral TOA Landsat 5 de un terreno boscoso (negro) y la misma firma corregida por Rayleigh (rojo)
1 2 3 4 5 6 70.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
TOARayleigh
# banda espectral
Corrección atmosférica: efecto de dispersión molecular Rayleigh
Espectro-radiómetro Landsat TM
Vegetación verde
Vegetación menos verde
Vegetación: firmas espectrales:
Preguntas¿Qué es más complejo discriminar entre especies o entre estados (mas seco, mas viejo,…)?
¿Qué características debería tener un sistema para discriminar tipos forestales pro ejemplo?
Si una escena tiene suelo y vegetación, qué características tendría la firma espectral, se puede discriminar esa firma de una firma de vegetación seca?