TEMA II PRINCIPIOS FÍSICOS DE LA TELEDETECCIÓN
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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