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


• 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


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


Reflexión Especular Reflexión Lambertiana

Reflectividad:φrρ= φi

Absortividad:

Transmisividad:

φaα= φi

φtτ = φi

ρ+α+τ = 1


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)


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


%

Ref

lect

ivid

ad


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.


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).


Nieve fresca > Nieve vieja > Hielo > Nieve sucia

Reflectividad de la nieve

(Hall y Martinec, 1985)


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

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


Reflectividad y materia orgánica

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


Reflectividad y humedad del suelo


Reflectividad del agua y clorofila


Clorofila estimada para Sept. 97: Seawifs


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 de la nieve según el tamaño de los cristales


Imagen Landsat-TM del volcánCotopaxi(Ecuador)

Diferencia nieve-nubes

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


Reflectancia de la luz solar en plantas de maíz estresadas.

Respuesta espectral de la vegetación sana y enferma


Estructura celular interna de la hoja.

Factores: Humedad de la hoja


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

tema ii principios fÍsicos de la teledetecciÓn

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