1

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

14

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

2

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

3

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.

4

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

5

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

6

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

7

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

8

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

9

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.

10

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)

12

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.