INTRODUCCIÓN A LA TELEDETECCIÓN CUANTITATIVA

Transcripción

1 INTRODUCCIÓN A LA TELEDETECCIÓN CUANTITATIVA Haydee Karszenbaum Veronica Barrazza haydeek@iafe.uba.ar vbarraza@iafe.uba.ar Clase 1.5: Interacciones en el óptico: firmas espectrales Teledetección cuantitativa 1

2 Sistemas ópticos/térmicos/microondas Parámetros de teledetección Magnitudes básicas Reflectancias para cada banda, B1,.,Bn Temperaturas Coeficiente de backscattering Emisividad Magnitudes/parámetros derivados Índices (varios)(para distintas longitudes de onda)? Interacciones Parámetros ambientales Mapas de uso y cobertura Biomasa, LAI Porcentaje de cobertura Humedad del suelo Contenido de agua en la hoja Tipos forestales Rendimiento agrícola Productividad Erosión Desertificación Riesgo de incendio Color del mar- productividad otros

3 Principio de conservación de la energía Principio de conservación de la energía Interacción de la radiación em con la materia Cómo se distribuye la energía que llega del sol? t a r i E E E E i r E E i a E E i t E E

4 cuál de estas magnitudes mide un sensor remoto?

5 Interacciones Agua Suelos vegetación

6 FIRMA ESPECTRAL 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 de la naturaleza. La firma espectral se construye a partir de la señal registrada por los SR en las diferentes porciones del Espectro em

7 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?

8 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

9 Cómo se distribuye la radiación em que llega al agua? Radiación solar Radiación detectada por el sensor Radiación reflejada especulamente Trasmisión Radiación emergente Radiación emitida

10 Cómo se distribuye la radiación em que llega al agua? Radiación solar Absorción Retrodispersión Emisión Dispersión Trasmisión retrodispersión Radiación reflejada especulamente Radiación emergente Radiación detectada por el sensor Radiación emitida absorción reemisión dispersión

11 Tipos de agua: firmas espectrales 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.

12 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 ( nm).

13 Tipos de agua: firmas espectrales 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

14 Tipos de agua: firmas espectrales Reflectancias en en porcentaje de de aguas con algas y agua clara medido con une espectroradiómetro en en superficie. Observen la la intensa absorción por por clorofila en en el el intervalo entre 400 y 500 nm nm y nuevamente en en la la zona del del rojo en en 675 nm. Reflectancias en en porcentaje con distintas concentraciones de de algas y sedimentos suspendidos de de mg/l

15 Cómo pasar de la variable propia de teledetección a concentración de clorofila? Un Un estimador de de la la concentración de de clorofila en en general es es un un estimador de de la la biomasa en en superficie o productividad. Numerosos estudios documentan la la relación entre las las bandas espectrales y la la concentración de de clorofila: Chl Chl = x [L(l [L(l 1 )/L(l 1 )/L(l 2 )] 2 )] y y Donde L(l L(l 1 ) 1 ) y L(l L(l 2 ) 2 ) son son las las radiancias medidas por por el el sensor remoto en en longitudes de de onda seleccionadas y x e yy constantes obtenidas de de relaciones empíricas. Los Los algoritmos más más importantes, utilizando las las bandas del del SeaWiFS, incluyen el el uso uso de de los los cocientes entre bandas 443/355 nm nmy 490/555 nm. nm.

16 Comportamiento espectral del agua en el rango óptico : resumen Es posible delinear cuerpos de agua facilmente utilizando las longitudes de onda del IR (separar agua de tierra). Para aspectos sobre la condición del agua, es importante la contribución del visible. El contenido de clorofila en el agua aumenta la reflectancia en el verde y permite el monitoreo de algas y de concentraciones en aguas poco profundas. 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. La reflectancia de agua clara es menor a la de agua contaminada y menor aún a la del agua con sedimentos La presencia de arena, barro, rocas en el fondo, material inorgánico en suspensión, clorofila, todo esto influye sobre el comportamiento espectral del agua.

17 Bandas en el visible: cantidad, ancho y ubicacion ETM (1) (2) (3) 0,4 0,450,5 0,550,6 0,650,7 SeaWiFS (1) (2) (3)(4)(5) (6) 0,4 0,450,5 0,550,6 0,650,7 longitud de onda (µm)

18 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?

19 Aportes de la teledetección en pesquerías No vemos los peces pero desde un sensor remoto Podemos determinar productividad primaria, concentración de sedimentos, temperaturas de superficie..

20 Suelos: firmas espectrales 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 Cómo se distribuye la energía que llega?

21 Suelos: firmas espectrales Espectro de suelo seco Silt Sand Wavelength ( m) Característica clave: la reflectancia aumenta con el aumento en la longitud de onda del visible al infrarrojo medio

22 Suelos: efecto de la humedad El agua impregna las partículas, llena los espacios de aire y reduce la posibilidad de scattering (dispersión) de la luz incidente, por lo tanto suelos húmedos se verán más oscuros que los suelos secos en el VNIR y SWIR Los suelos húmedos se ven más oscuros en la región SWIR donde la absorción por agua aumenta significativamente con el aumento de la longitud de onda. specular reflectance a. interstitial air space specular reflectance incident energy dry soil specular reflectance volume reflectance incident energy b. soil water wet soil

23 Suelos: efecto de la humedad y de la textura Sand Sand 0 4% moisture content 5 12% % a. 60 Clay Clay % % b. Wavelength ( m) La arcilla retiene más el agua que la arena. Por lo tanto, el espectro de arcilla muestra las bandas de absorción de agua más pronunciadamente que la arena.

24 Suelos: efecto de la humedad y del rastrojo Los suelos y los residuos son espectralmente similares en el visible y en el IR. Los residuos pueden ser masbrillanteso mas oscuros que el suelo. El espectro de residuos de cultivos tiene una banda de absorción en 2100 nm. La presencia de agua oscurece parcialmente los patrones de absorción del residuo.

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

26 Nieve y nubes : firmas espectrales 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 infarrojo cercano, pero desciende a casi cero en las bandas de absorción de agua y mantiene valores bajos en la zona cercana. En contraste las nubes son dispersores no selectivos y reflejan en el rango espectral de nm.

27 Vegetación: firmas espectrales Cómo se distribuye la energía que llega? µm, la reflectancia es baja, la transmitancia es casi 0 y la absorbancia es alta. Qué controla la interacción entre la energía y vegetación?: los pigmentos de la planta (fotosíntesis) µm, tanto la reflectancia como la transmitancia son altas, mientras que la absorbancia es baja. Qué controla?: la estructura interna de la hoja 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 segundo lugar la estructura interna de la hoja.

28 Vegetación: firmas espectrales

29 Vegetación: firmas espectrales la reflectancia de un dosel... 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, arreglo tridimensinald del follaje - por ejemplo, están todas las hojas en una misma capa, son verticales, se distribuyen como una esferaetc.) 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?)

30 Vegetación: firmas espectrales propiedades de scattering y absorción de las hojas Diferencias en las células: agua Los patrones de absorción pueden ayudar a determinar el contenido de agua de las hojas. 60% 50% 40% 30% Water absorption features: indicates canopy water content Water stressed cotton Las diferencias en el contenido de agua pueden indicar especies diferentes o niveles diferentes de stress hídrico en plantas de una misma especie. 20% 10% 0% Red edge position: indicates canopy structure and Wavelength (µm) chlorophyll content Well irrigated cotton Greenberg et al. 2001, healthy and water stressed cotton spectra.

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37 Vegetación: firmas espectrales El borde Rojo!!! Las características del salto del R al IR es un indicador del stress y la productividad en la vegetación

38 Vegetación: firmas espectrales La reflectancia del dosel varía con el índice de área foliar Qué pasa con el LAI? 0.5 reflectance(%) very high leaf area very low leaf area sunlit soil Wavelength, nm 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.

39 Vegetación: firmas espectrales: Influencia de la posición de las bandas espectrales en la discriminación firmas

40 reflectancia (media) Firma espectral Landsat azul verde rojo IrC IrM IrM bandas

41 Corrección atmosférica: efecto de dispersión molecular Rayleigh Firma espectral TOA Landsat 5 de un terreno boscoso (negro) y la misma firma corregida por Rayleigh (rojo) TOA Rayleigh Existen varias opciones para el cálculo de L p : A. Cálculo de L p 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 # banda espectral

42 Vegetación: firmas espectrales: Espectro-radiómetro Landsat TM Vegetación verde Vegetación menos verde

43 Vegetación: firmas temporales

44 Suelo Suelo con rastrojo

45 Firma espectral de una escena Comportamiento espectral de una escena real. Factores que intervienen

46 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?