introducciÓn a la teledetecciÓn...

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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

¿cuál de estas magnitudes mide un sensor remoto?

Agua

Suelos

vegetación

Interacciones

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


Absorción

Retrodispersión

Emisión

Dispersión

Radiación solar

Trasmisión

Radiacióndetectada por el sensor

retrodispersión

reemisión

Radiaciónemergente

absorción

dispersión

Radiación reflejadaespeculamente

Radiaciónemitida


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


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


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.


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

Preguntas

¿Si se quiere discriminar suelos secos de suelos húmedos, qué bandas utilizaría?

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....


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


Las características del “salto”del R al IR es un indicador del stress y la productividad en la vegetación

El borde Rojo !!!


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: 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:

Vegetación: firmas temporales

Suelo con rastrojo

Suelo

Comportamiento espectral de una escena real. Factores que intervienen

Firma espectral de una escena

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?

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