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TELEDETECCIÓNCapítulo 1 - Principios físicos de la
Teledetección
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TELEDETECCIÓN
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Observación de un objetoSin mediar contacto con élPor medios acústicos, visuales, etc.
Restricciones:La observación se realiza desde plataformas espacialesMediante energía electromagnética: luz, calor, etc.Se analiza la superficie terrestre
TELEDETECCIÓN
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Es aquella técnica que nos permite adquirir información de la superficie
terrestre mediante el empleo de energía electromagnética desde sensores
instalados en plataformas espaciales.
SISTEMA DE TELEDETECCIÓN ESPACIAL
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Fuente de energíaTeledetección pasivaTeledetección activa
Superficie terrestreSistema sensorSistemas de recepción-comercializaciónInterprete o usuario
TELEDETECCIÓN PASIVA
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TELEDETECCIÓN ACTIVA
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SISTEMA DE TELEDETECCIÓN ESPACIAL
4
Fuente de energíaTeledetección pasivaTeledetección activa
Superficie terrestreSistema sensorSistemas de recepción-comercializaciónInterprete o usuario
Fuente de energíaSistema sensor
Cubierta terrestre
Tratamiento visual
Tratamiento digitalUsuario final
Sistema de recepción
Atmósfera
RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA
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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 cuantos.
El flujo energético entre Tierra y sensor es siempremediante radiación electromagnética
LA RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA COMO UNA ONDA
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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
LA RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA COMO UN FOTÓN
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Todo cuerpo radiante emite energía de forma discreta en unidades llamadas fotones.
La energía de un fotón de radiación con frecuencia ν es
h es la cte. de Planck 6'626 ·10-34 J s.
Ε = h ν
Espectro electromagnético
La tabla a continuación muestra el espectro electromagnético, con sus longitudes de onda, frecuencias y energías.
Long. de onda Frecuencia Energía
Rayos gamma < 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
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
Rayos gamma < 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
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 ELECTROMAGNÉTICOSucesión 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
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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.
ECUACIÓN DE PLANCK
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Lλ(λ,T) =2
2 h c
λ5 (ehc/λkT-1)
LEYES DE LA RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA
Algunas definiciones
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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).
LEYES DE LA RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA
Algunas definiciones
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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)
.
Intensidad radiante I: Flujo radiante emitido por unafuente puntual por unidad de ángulo sólido I = d Φ/dΩ
RADIANCIA
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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.
L = d Φ cos θ / dS d Ω
INTERACCIÓN DE LA RADIACIÓN CON LA MATERIA
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Φr
Φt
Φa
iΦ
Φ Φ Φ Φ= + +i a t r
Φe
INTERACCIÓN DE LA RADIACIÓN CON LA MATERIA
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Φe
INTERACCIÓN DE LA RADIACIÓN CON LA MATERIA
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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.
1 = + + ΦtΦaΦr /Φi/Φi/Φi
INTERACCIÓN DE LA RADIACIÓN CON LA MATERIA
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Para un cuerpo negro la reflectividad y la transmitancia son nulas. Es decir absorbe toda la energía que le llega
Φa
iΦ
Φ Φ=i a
Φe
INTERACCIÓN DE LA RADIACIÓN CON LA MATERIA
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La proporción de flujo incidente que es reflejado, transmitido y absorbido
Depende del tipo de superficieDe la longitud de ondaEste fenómeno da lugar al COLOR si la longitud de onda corresponde al visible.
Refleja toda la energía que recibe en la banda del amarillo. No transmite ni absorbe en esa banda.
Para cualquier cuerpo “gris”
REFLECTIVIDAD, REFLECTANCIA O ALBEDO
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Depende de la longitud de ondaPara una misma λ, depende del tipo de superficie:
Especular: refleja la energía con el mismo ángulo deflujo 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.
EMISIVIDAD
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Un cuerpo negro emite energía de forma perfecta.Emisividad espectral es el cociente entre la emitancia de un cuerpo y la del cuerpo negro
Un buen emisor es un mal reflector y viceversa.
ε (λ) = 1 Cuerpo negro o radiador perfecto
0 <ε(λ) <1 Cuerpo gris
ε(λ) =0 Reflector perfecto
ε (λ) = M(λ) / M (λ)n
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 diferentescuerpos 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 linealSi se trata de energía emitida: L se convierte a temperatura mediante la ecuación de PlanckSi 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 cenital28
SIGNATURA ESPECTRAL
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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.
INTERACCIÓN ATMOSFÉRICA
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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.
ABSORCIÓN
FILTRO (Componentes quimicos)
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ABSORCIÓN
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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.
ABSORCIÓN
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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.
DISPERSIÓN
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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 .
DISPERSIÓN
DIFUSOR (Partículas en suspensión)
DISPERSIÓN SELECTIVA
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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.
DISPERSIÓN NO SELECTIVA
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Se produce si las partículas son muy grandes, como las nubes o polvo en suspensión (dp> 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.
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
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La mayor exactitud se consigue si se conocen datos de la atmósfera: temperatura, presión y humedad relativa a diferentes alturas.
Por medidas de sensor:TOVSPor 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.
CORRECCIÓN ATMOSFÉRICAMétodo "split-window"
Se emplea para corregir los efectos de la atmósfera en las imágenes AVHRR térmicasLa radiancia real que llega al satélite es suma de
La emitida por la superficie de la TierraLa producida por efectos de dispersión por los componentes de la atmósferaLa proveniente de la radiación solar y reflejada en la superficie de la TierraLa producida por la emisión atmosférica hacia abajo y reflejada en la TierraLa emitida por la atmósfera hacia el satélite
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CORRECCIÓN ATMOSFÉRICAMétodo "split-window" para mar
Desprecia El efecto de la dispersión debido a que λ es grande.La radiancia proveniente de la radiación solar reflejada
En el caso del mar, se supone La superficie del mar emitiendo la misma radiación en todas direccionesLa emisividad del agua del mar igual a 1La absorción debida sólo al vapor de agua
Ts = a T 4 + b (T4-T5) + c
a, b y c dependen de la zona de estudio y de la época del año44
