1INTRODUCCIN A LA TELEDETECCIN CUANTITATIVA
Haydee Karszenbaum Veronica Barrazza
[email protected]@iafe.uba.ar
Teledeteccin cuantitativa
Clase 1.5: Interacciones en el ptico: firmas espectrales
Parmetros de teledeteccin Parmetros ambientales
Magnitudes bsicasReflectancias para cada banda, B1,.,Bn
TemperaturasCoeficiente de backscattering EmisividadMagnitudes/parmetros derivadosndices (varios)(para distintas longitudes de onda)
Mapas de uso y coberturaBiomasa, LAIPorcentaje de coberturaHumedad del sueloContenido de agua en la hojaTipos forestalesRendimiento agrcolaProductividadErosinDesertificacinRiesgo de incendioColor del mar- productividadotros
Sistemas pticos/trmicos/microondas
?Interacciones
Principio de conservacin de la energaPrincipio de conservacin de la energa
Interaccin de la radiacin em con la materia
Cmo se distribuye la energa que llega del
sol?
tari EEEE i
r
EE
i
a
EE
i
t
EE
cul de estas magnitudes mide un sensor remoto?
Agua
Suelos
vegetacin
Interacciones
La forma en la cual un objeto refleja, emite o absorbe la energa em conforma un patrn espectral denominado FIRMA ESPECTRAL. La misma permite identificar y discriminar diferentes objetos dela naturaleza.
La firma espectral se construye a partir de la seal registrada por los SR en las diferentes porciones del Espectro em
FIRMA ESPECTRAL
Preguntas que nos formulamos
Cules son las propiedades importantes del agua observables en una imagen de teledeteccin?
Cules son las propiedades del agua que nos gustara obtener?
Cmo se distribuye la radiacin em que llega al agua?
Tres contribuciones a la reflectancia: especular, del fondo y del volumen de agua (contiene informacin sobre la calidad del agua).
Tambin de la atmsfera
Radiacin solar
Trasmisin
Radiacindetectada por el sensor
Radiacinemergente
Radiacin reflejadaespeculamente
Radiacinemitida
Cmo se distribuye la radiacin em que llega al agua?
Absorcin
Retrodispersin
Emisin
Dispersin
Radiacin solar
Trasmisin
Radiacindetectada por el sensor
retrodispersin
reemisin
Radiacinemergente
absorcin
dispersin
Radiacin reflejadaespeculamente
Radiacinemitida
Cmo se distribuye la radiacin em que llega al agua?
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
Tipos de agua: firmas espectrales
2. Efecto de la clorofila: a medida que aumenta la concentracin 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 ms 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 radiacin solar incidente
Tipos de agua: firmas espectrales
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 espectroradimetro en superficie.
Observen la intensa absorcin 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 espectroradimetro en superficie.
Observen la intensa absorcin por clorofila en el intervalo entre 400 y 500 nm y nuevamente en la zona del rojo en 675 nm.
Tipos de agua: firmas espectrales
Un estimador de la concentracin de clorofila en general es un estimador de la biomasa en superficie o productividad.
Numerosos estudios documentan la relacin entre las bandas espectrales y la concentracin 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 empricas.
Los algoritmos ms 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 concentracin de clorofila en general es un estimador de la biomasa en superficie o productividad.
Numerosos estudios documentan la relacin entre las bandas espectrales y la concentracin 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 empricas.
Los algoritmos ms importantes, utIlizando las bandas del SeaWiFS, incluyen el uso de los cocientes entre bandas 443/355 nm y 490/555 nm.
Cmo pasar de la variable propia de teledeteccin a concentracin 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 ptico : 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 condicin del agua, es importante la contribucin del visible.
La presencia de arena, barro, rocas en el fondo, material inorgnico en suspensin, clorofila, todo esto influye sobre el comportamiento espectral del agua.
La reflectancia de agua clara es menor a la de agua contaminada y menor an a la del agua con sedimentos
El derrame de petrleo puede detectarse en el ultravioleta y en el azul. La longitud de onda del verde permite delinear la porcin ms densa del derrame.
(1) (2) (3)
0,4 0,450,5 0,550,6 0,650,7
ETM
longitud de onda (m)
(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
PreguntasCmo son los valores de energa reflejada del agua bajos, medio, altos?
Cul debera ser la resolucin radiomtrica de un sistema para monitorear calidad de agua?
En qu zona del espectro em deberan estar las bandas?
Si se quiere determinar clorofila, donde deberan estar las bandas ubicadas? Podra determinar clorofila con el Landsat?
Podra discriminar agua clara de agua con sedimentos con el Landsat?
No vemos los peces perodesde un sensor remoto
Podemos determinar productividad primaria, concentracin de sedimentos, temperaturas de superficie..
Aportes de la teledeteccin en pesqueras
Suelos: firmas espectrales
Cmo se distribuye la energa que llega?
Reflectancia del suelo
1. Contenido de humedad
2. Contenido de materia orgnica
3. Tamao de las partculas (superficie)
4. Contenido de xido de hierro
5. Mineraloga
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
Caracterstica clave: la reflectancia aumenta con el aumento en la longitud de onda del visible al infrarrojo medio
Suelos: firmas espectrales
El agua impregna las partculas, llenalos espacios de aire y reduce la posibilidad de scattering (dispersin) de la luz incidente, por lo tanto sueloshmedos se vern ms oscuros que los suelos secos en el VNIR y SWIR
Los suelos hmedos se ven msoscuros en la regin SWIR donde la absorcin 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 ms el agua que la arena.
Por lo tanto, el espectrode arcilla muestra lasbandas de absorcin de agua mspronunciadamente 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 absorcin en 2100 nm.
La presencia de aguaoscurece parcialmente los patrones de absorcin 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 hmedos, qu bandas utilizara?
La nieve y las nubes se pueden diferenciar fcilmente en la porcin del infrarrojo medio. La reflectancia de la nieve es muy caracterstica. Toma valores altos en el visible y el infarrojocercano, pero desciende a casi cero en las bandas de absorcin 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
Vegetacin: firmas espectrales
Cmo se distribuye la energa que llega?
0.4 -0.7 m, la reflectancia es baja, la transmitancia es casi 0 y la absorbancia esalta. Qu controla la interaccin entre la energa y vegetacin?: los pigmentos de la planta (fotosntesis).
0.7-1.35 m, tanto la reflectancia comola transmitancia son altas, mientras que la absorbancia es baja. Qu controla?: la estructura interna de la hoja.
1.35 2.5 m, a medida que aumenta la reflectancia y la transmitancia disminuyen y por el contrario la absorbancia aumenta. Qu controla?: el contenido de agua en la hoja es el principal responsable, en segundolugar la estructura interna de la hoja.
Vegetacin: firmas espectrales
Propiedades de scattering y absorcin de componentes del dosel (hojas, ramas, flores, frutos, suelo, etc)
Arquitectura del dosel (biomasa en pie, ndice de rea foliar, arreglotridimensinald del follaje - por ejemplo, estn todas las hojas en una misma capa, son verticales, se distribuyen como una esfera-etc.)
Direcciones de iluminacin y observacin (es el sol la nica fuente de iluminacin, o aerosoles y molculas aportan tambin a la iluminacin hemisfrica; cul es la direccin de observacin, el nadir, otra?)
la reflectancia de un dosel....
Vegetacin: firmas espectrales
Diferencias en las clulas: agua
Los patrones de absorcinpueden ayudar a determinarel contenido de agua de lashojas.
Las diferencias en el contenido de agua puedenindicar especies diferentes o niveles diferentes de stress hdrico en plantas de unamisma especie.
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
0.35 0.85 1.35 1.85 2.35
Wavelength (m)
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 absorciabsorcinn de de laslas hojashojas
Vegetacin: firmas espectrales
Vegetacin: firmas espectrales
Vegetacin: firmas espectrales
Vegetacin: firmas espectrales
Vegetacin: firmas espectrales
Vegetacin: firmas espectrales
Vegetacin: firmas espectrales
Las caractersticas del saltodel R al IR es un indicador del stress y la productividad en la vegetacin
El borde Rojo !!!
Vegetacin: firmas espectrales
Wavelength, nm400 600 800 1000 1200
r
e
f
l
e
c
t
a
n
c
e
(
%
)
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 vara con el ndice de rea foliar
En suelo de brillo moderado:- En el visible, la reflectancia del del medio (suelo + vegetacin) disminuye a
medida que el LAI aumenta- En el IR cercano, la reflectancia aumenta con el aumento de LAI
- El red edge no slo se modifica con la concentracin de pigmentos vs. estructura de la hoja sino tambin con el aumento del rea foliar.
Qu pasa con el LAI?
Vegetacin: firmas espectrales
Vegetacin: firmas espectrales: Influencia de la posicin de las bandas espectrales en la discriminacin 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 clculo de Lp:
A. Clculo de Lp si solo se considera el efecto molecular, existe un modelo desarrollado por Rayleigh para calcular Lp a partir del da juliano y el ngulo 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
Correccin atmosfrica: efecto de dispersin molecular Rayleigh
Espectro-radimetro Landsat TM
Vegetacin verde
Vegetacin menos verde
Vegetacin: firmas espectrales:
Vegetacin: firmas temporales
Suelo con rastrojo
Suelo
Comportamiento espectral de una escena real. Factores que intervienen
Firma espectral de una escena
PreguntasQu es ms complejo discriminar entre especies o entre estados (mas seco, mas viejo,)?
Qu caractersticas debera tener un sistema para discriminar tipos forestales pro ejemplo?
Si una escena tiene suelo y vegetacin, qu caractersticas tendra la firma espectral, se puede discriminar esa firma de una firma de vegetacin seca?
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