tema ii principios fÍsicos de la teledetecciÓn

PRINCIPIOS FÍSICOS DE LA TELEDETECCIÓN

TEMA II

Teledetección: capacidad de obtener información de un objeto o fenómeno sin mantener contacto físico con él.

•Reflexión

•Emisión

•Reflexión-Emisión

LA RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA

- Teoría Ondulatoria (Huygengs, Maxwell)

c = 3 ×× 108 m/s

λλ = Longitud de Onda

F = Frecuencia

c =λλ ×× F

- Teoría Cuántica (Planck, Einstein)

Q = h ×× FQ = energía de un fotón

h = 6.6 ×× 10 -34 J ×× s

F = Frecuencia

RELACIÓN ENTRE TEORIAS:

Q = h ×× c/λλ

EL ESPECTRO ELECTRO-MAGNÉTICO

Definición: sucesión continua de valores de longitudes de onda.

Bandas: longitudes de onda del espectro donde las la radiación electromagnética manifiesta un comportamiento similar.

• Luz Visible: 0.4 a 0.7 µm

Azul: 0.4-0.5 µm

Verde: 0.5-0.6 µm

Rojo: 0.6-0.7 µm

• Infrarrojo Cercano: 0.7-1.3 µµm

• Infrarrojo Medio: 1.3-8 µµm

• Infrarrojo Lejano o Térmico: 8-14 µµm

• Microondas: a partir de 1 mm

BANDAS DE INTERÉS EN TELEDETECCIÓN

PRINCIPIOS Y LEYES DE LA RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA

- Todos los cuerpos con Tª superior a 0ºC emiten radiación electromagnética.

- Cuerpo Negro: emisor y receptor de energía perfecto.

Leyes:

- Ley de Planck

- Ley de desplazamiento de Wien

- Ley de Stefan- Boltzman

LEY DE PLANCK

La densidad de energía radiante del cuerpo negro para una determinada λ a una Tª depende de estos parámetros, según:

M= Emitancia

Energía radiada en todas direcciones desde una unidad de área (W/m2)

Cualquier cuerpo por encima del cero absoluto radia energía, y que ésta se incrementa con la temperatura

LEY DE DESPLAZAMIENTO DE WIEN

A medida que la Tª absoluta de un cuerpo cambia, la longitud de onda dominante se desplaza según la expresión:

Selección de la banda más conveniente para estudiar un fenómeno

LEY DE STEFAN- BOLTZMAN

La cantidad total de energía emitida (M) por un cuerpo negro sigue la ley:

Mn es la emitancia.

σ es la cte de Stefan- Boltzman (5.6697× 10-8 W/m2 ºK4).

T es la temperatura en Kelvin.

INTERACCIÓN DE LA ATMÓSFERA CON LA RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA.

- Absorción- Dispersión- Emisión

340 W/m2

173 W/m2

Absorción: (65 W/m2 )

Filtro selectivo.

O2 ultravioleta < 0.1 µµm, sectores del infrarrojo térmico y del microondas.

O3 ultravioleta < 0.3 µµm y un sector de microondas (27 mm).

Vapor de agua fuerte absorción en torno a 6mm y menor entre 0.6 y 0.2 µµm.

Anhídrido Carbónico infrarrojo medio entre 2.5 y 4.5 µµm.

Ventanas atmosféricas

INTERACCIÓN DE LA ATMÓSFERA CON LA RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA.

• Visible + Infrarrojo• Infrarrojo Medio• Infrarrojo Térmico• Microondas

Dispersión:Se produce al reflejarse o refractarse la radiación por las partículas de la atmósfera.Difícil de cuantificar.Mayor cuanto menor sea la longitud de onda.Tipos:

Dispersión RayleighDispersión MileDispersión No Selectiva

Emisión:

Infrarrojo térmico

INTERACCIÓN DE LA ATMÓSFERA CON LA RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA.

Principal fuente de energía radiante = SOL

6000ºKWien λmax = 0.45 µm

Características:

CARACTERÍSTICAS DE LA RADIACIÓN ENERGÉTICA EN EL ESPECTRO ÓPTICO

φi = φr + φa + φt

Rugosidad menor que la longitud de onda reflector especularRugosidad mayor que la longitud de onda reflexión en todas direcciones

CARACTERÍSTICAS DE LA RADIACIÓN ENERGÉTICA EN EL ESPECTRO ÓPTICO

Reflexión Especular Reflexión Lambertiana

Reflectividad:φrρ= φi

Absortividad:

Transmisividad:

φaα= φi

φtτ = φi

ρ+α+τ = 1

CARACTERÍSTICAS DE LA RADIACIÓN ENERGÉTICA EN EL ESPECTRO ÓPTICO

φi = φr + φa + φt

La energía recibida por el sensor depende de:• Reflectividad• Condiciones atmosféricas.• Emplazamiento• Geometría de la observación.

Magnitudes habituales en teledetección:• Energía Radiante (Q): energía radiada en todas direcciones (J).• Flujo Radiante (φφ) : energía radiada en todas direcciones por unidad de tiempo (W).• Emitancia (M): energía radiada en todas direcciones desde la unidad de área y por unidad de tiempo (W/m2)• Emisividad (εε): relación entre M y la del cuerpo negro Mn.• Reflectividad (ρρ): relación entre el flujo incidente y el reflejado por una superficie.•Radianza (L): total de energía radiada en una dirección por unidad de área y por ángulo sólido de medida (W/m2 sr)

CARACTERÍSTICAS DE LA RADIACIÓN ENERGÉTICA EN EL ESPECTRO ÓPTICO

CURVAS DE REFLECTIVIDAD ESPECTRAL: SIGNATURAS ESPECTRALES

COMPORTAMIENTO ESPECTRAL DE LA VEGETACIÓN EN EL DOMINIO ÓPTICO

ØCaracterísticas de la hoja:estado fenológico, forma y contenido de humedad

Ø Características morfológicas de la planta:altura, perfil, grado de cobertura del suelo, etc.

Ø Situación geográfica de la planta:pendiente, orientación, geometría de plantación

Curva característica de la hoja

COMPORTAMIENTO ESPECTRAL DE LA VEGETACIÓN EN EL DOMINIO ÓPTICO

%

Ref

lect

ivid

ad

COMPORTAMIENTO ESPECTRAL DE LA VEGETACIÓN EN EL DOMINIO ÓPTICO

Reflectividad de algunas especies mediterráneas

COMPORTAMIENTO ESPECTRAL DEL SUELO EN EL DOMINIO ÓPTICO

Factores en la reflectividad del suelo

Ø Minerales en el suelo (cuarzo, feldespatos, silicatos).

ØMateria orgánica.

Ø Contenido de aire y de agua.

Ø Textura y estructura.

Ø Disposición vertical y horizontal.

Ø Angulos de observación e iluminación.

COMPORTAMIENTO ESPECTRAL DEL SUELO EN EL DOMINIO ÓPTICO

0102030405060708090

100

400 500 600 700 800 900 1000

Wavelength (nm)

Re

flect

an

ce (

%)

Soil only Soil with Grass Grass only

Comparación de reflectancia entre suelo y pasto

COMPORTAMIENTO ESPECTRAL DEL AGUA EN EL DOMINIO ÓPTICO

Factores en la reflectividad del agua

Ø Contenido de clorofila:è Absorción en el visible (↓↓R ↑↑R)è Reflexión en el IRC.

Ø Materiales en suspensión.

Ø Rugosidad superficial.

ØProfundidad

Factores en la reflectividad de la nieve

Ø Compactación.

Ø Grado de mezcla con suelo.

Ø Tamaño de los cristales.

Ø Absorción en el IRM (contraste con las nubes).

COMPORTAMIENTO ESPECTRAL DEL AGUA EN EL DOMINIO ÓPTICO

Nieve fresca > Nieve vieja > Hielo > Nieve sucia

Reflectividad de la nieve

(Hall y Martinec, 1985)

COMPORTAMIENTO ESPECTRAL DEL AGUA EN EL DOMINIO ÓPTICO

Imagen de Almería en el espectro visible

EL DOMINIO DEL INFRARROJO TÉRMICO

Infrarrojo térmico

ØØ La temperatura radiativa es el parámetro clave:

èèLa energía emitida depende de la absorbida en otras

longitudes de onda. En el térmico: 1 =ρρ + εε (ley de Kirchoff).

èè Temperatura = f (Radiancia en el sensor, longitud de onda,

emisión atmosférica, emisividad de la cubierta).

ØØ Factores de interés

èè Inercia térmica

èè Relaciones temperatura y ET

èè Efectos sobre el clima

Características: λλ = 8 - 14 µµm, Tª ≈≈ 300ºK

Salisbury y D’Aria, 1994

Emisividades

Temperatura de superficie, TS

Parámetros térmicos

Ø Capacidad térmica: almacenamiento calor (calor específico, c).

ØConductividad (k): ritmo de transmisión.

Ø Difusividad (K): cambio Tp en el interior.

Ø Inercia térmica (P): resistencia a cambiar: P = Dck

Ø Indice de calentamiento: intensidad.

Inercia térmica

COMPORTAMIENTO ESPECTRAL DE LA VEGETACIÓN EN EL INFRARROJO TÉRMICO

Ø Absorción durante el día, re -emisión noche.

Ø Inercia térmica alta.

Ø Evapo-Transpiración.

Ø Extensión y Densidad

Factores que afectan a la emisividad

COMPORTAMIENTO ESPECTRAL DEL SUELO EN EL INFRARROJO TÉRMICO

Suelos

Ø A mayor humedad, mayor inercia térmica.

Ø A mayor materia orgánica, menor inercia térmica.

Ø La emisividad es muy dependiente de la roca madre.

COMPORTAMIENTO ESPECTRAL DEL AGUA EN EL INFRARROJO TÉRMICO

Agua

Ø La mayor inercia térmica

Ø Indica origen de la masa, desplazamiento (corrientes

oceánicas), bancos de pesca.

Ø Efecto sobre el clima.

Datos AVHRR

Temperatura promedio del mar

IMAGEN TOMADA CON INFRARROJO CERCANO

Colores Resultantes

Visible Infrarrojo

Comparación de imágenes tomadas en el espectro visible e infrarrojo

Ø λλ ≥≥ 1 mm

Ø Independientes de las condiciones de iluminación y las

condiciones atmosféricas.

Ø Muy dependientes del ángulo de incidencia y de la polarización

y frecuencia a la que se trabaje.

EL DOMINIO DE LAS MICROONDAS

Características:

Tipos:

Ø Pasivos Radiómetros de microondas

Ø Activos Radar

Suelo Dispersión a la atmósferaVegetación Dispersión dentro del objetoAgua Dispersión especular

DISPERSIÓN DE LA SEÑAL DEL RADAR

Coef. DeRetro-difusión

Ø Propiedades de la cubierta:

•Rugosidad de la superficie

•Forma del terreno.

•Propiedades dieléctricas (agua)

Ø Parámetros de observación:

•Banda empleada

•Polarización (semejante o cruzada)

•Ángulo de incidencia

FACTORES QUE AFECTAN A LA DISPERSIÓN DE LAS MICROONDAS

COMPORTAMIENTO ESPECTRAL DE LA VEGETACIÓN EN LA REGIÓN DE LAS MICRO-ONDAS.

RugosidadElemento fundamentalf(tamaño, forma, orientación y número de hojas)

Cte dieléctricaMuy altaBastante cte para todo tipo de vegetaciónAumenta con la humedad

Humedad del suelo y PolarizaciónProfundidad de penetración mayor con suelos secos y señales de polarización semejantes.

COMPORTAMIENTO ESPECTRAL DEL SUELO EN LA REGIÓN DE LAS MICRO-ONDAS.

Suelos secos y rugosos Mayor Coef Retro-difusión

Tonos Claros

Suelos secos y λλ larga Penetración hasta varios metros

Núcleos de población y λλ larga Tonos Claros

COMPORTAMIENTO ESPECTRAL DEL AGUA EN LA REGIÓN DE LAS MICRO-ONDAS.

Angulo incidencia bajo y λλ larga Cierta penetración

Comportamiento especular del agua

Cierta rugosidad y ángulo incidencia Imagen

Imagen Radar

Los Angeles

Resumen de la visión de una imagen radar

FIN

Región de las microondas

RUGOSIDAD Y LONGITUD DE ONDA

Lisa

A mayor ángulo menor pulso de retorno

ÁNGULO DE INCIDENCIA

Reflectividad del Municipio de La Virginia (Colombia) a las señales de microondas. La imagen modo estándar RADARSAT destaca el casco urbano, el puente, las casas al borde las carreteras de acceso y otras infrastructuras.

IMAGEN RADAR

H = Polarización Horizontal V = Polarización Vertical

TIPOS DE POLARIZACIÓN

•Semejante

•Cruzada

COMPORTAMIENTO ESPECTRAL DEL SUELO EN EL DOMINIO ÓPTICO

Reflectividad y materia orgánica

a) Mínima descomposición; b) Descomposición parcial; c) Descomposición completa (máxima materia orgánica).Stoner y Baumgardner (1981)

COMPORTAMIENTO ESPECTRAL DEL SUELO EN EL DOMINIO ÓPTICO

Reflectividad y humedad del suelo

COMPORTAMIENTO ESPECTRAL DEL AGUA EN EL DOMINIO ÓPTICO

Reflectividad del agua y clorofila

COMPORTAMIENTO ESPECTRAL DEL AGUA EN EL DOMINIO ÓPTICO

Clorofila estimada para Sept. 97: Seawifs

COMPORTAMIENTO ESPECTRAL DEL AGUA EN EL DOMINIO ÓPTICO

Eutrofización de lagos

1/II/1973 1/I/1979 12/I/1989LagoTurkana, Kenia. National Geographic, 1998

Proximidades deVenecia. Efluentesde algas en áreascontaminadas pornitratos.Sheffield, 1978

Contaminación de playas

COMPORTAMIENTO ESPECTRAL DEL AGUA EN EL DOMINIO ÓPTICO

COMPORTAMIENTO ESPECTRAL DEL AGUA EN EL DOMINIO ÓPTICO

Comportamiento de la nieve según el tamaño de los cristales

COMPORTAMIENTO ESPECTRAL DEL AGUA EN EL DOMINIO ÓPTICO

Imagen Landsat-TM del volcánCotopaxi(Ecuador)

Diferencia nieve-nubes

Reflectancia común de la energía solar en plantas de maíz saludables.

COMPORTAMIENTO ESPECTRAL DE LA VEGETACIÓN EN EL DOMINIO ÓPTICO

Reflectancia de la luz solar en plantas de maíz estresadas.

Respuesta espectral de la vegetación sana y enferma

COMPORTAMIENTO ESPECTRAL DE LA VEGETACIÓN EN EL DOMINIO ÓPTICO

Estructura celular interna de la hoja.

Factores: Humedad de la hoja

COMPORTAMIENTO ESPECTRAL DE LA VEGETACIÓN EN EL DOMINIO ÓPTICO

Reflectancia de hojas verdes y hojas secas de Brachypodium pinnatum L.

Ø Fisiología de la planta.

•Resistencia estomatal.

•Resistencia aerodinámica.

Ø Humedad atmosférica.

Ø Temperatura del aire.

Ø Viento.

Ø Humedad disponible en el suelo.

Factores en la ET

Penetración de las microondas en las nubes

Penetración en suelo de la señal microondas