Introducción a la percepción remota mediante radar

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1 Introducción a la percepción remota mediante radar Natural Resources Ressources naturelles Canada Canada

2 Esquema del curso Por qué se emplea la percepción remota mediante radar? Fundamentos del radar SAR Resolución y ángulo de incidencia Frecuencia y polarización Características de la imagen Desplazamiento topográfico Moteado Mecanismos de reflexión de las microondas Introducción a los sensores

3 Por qué emplear la percepción remota mediante radar? Fuente de iluminación controlable -puede ver a través de nubes, lluvia y en la noche Las imágenes pueden ser de resolución fina (3-10 m) A diferencia de los sensores ópticos, con los radares se pueden identificar características asociadas a la rugosidad del terreno Algunas características de la superficie se pueden distinguir mejor en las imágenes de radar: hielo, ondas en la superficie del mar humedad del suelo, cantidad de vegetación objetos creados por el hombre, Ej. edificios estructuras geológicas

4 RADAR Radar es el acrónimo del inglés de detección y localización por radio. Un sistema de radar tiene tres funciones primordiales: - Transmitir señales de microondas (radio) hacia una escena - Recibir la porción de la energía transmitida, que se refleja hacia el sensor desde la escena iluminada - Observar la potencia de la señal reflejada y el tiempo necesario para que la señal regrese al sensor El radar tiene su propia fuente de energía y por lo tanto, puede funcionar durante el día o la noche y sin importar la nubosidad. A este tipo de sistema se le conoce como un sistema de percepción remota activo.

5 RADAR - Radio Detection And Ranging detección y localización por radio Alcance Pulso Eco

6 El espectro electromagnético El espectro electromagnético es una representación de la energía en función de la frecuencia (ó número de onda). La energía viaja a la velocidad de la luz en forma de ondas y se puede detectar a través de su interacción con el medio ambiente. Algunas características de la energía electromagnética son: frecuencia, polarización y longitud de onda (inversamente proprocional a la frecuencia). La percepción remota mediante radares emplea la porción del espectro electromagnético en donde se presentan las microondas, que tienen frecuencias entre 0.3 y 300 GHz (y longitudes de onda entre 1m y 1mm).

7 El espectro electromagnético

8 Qué es el Radar de Apertura Sintética (SAR)? Es un sistema de radar de iluminación lateral que produce una imagen de resolución fina de la superficie bajo observación. Al moverse a lo largo de su trayectoria, el radar ilumina hacia un lado de la dirección de vuelo franjas continuas y paralelas entre sí, de la superficie en estudio y acumula la información de las microondas que se reflejan. La señal que se graba a bordo, se procesa apropiadamente para formar una imagen digital. La distancia entre el radar y el objetivo en la superficie en la dirección perpendicular al vuelo, se le llama alcance. Se le conoce como azumit a la distancia a lo largo de la trayectoria. En un sistema de radar, la resolución tiene dos dimensiones, una en la dirección del alcance y otra en la del azimut. Mediante un procesamiento digital de la señal, la imagen puede enfocarse y obtenerse así, una resolución mejor que la de un radar convencional.

9 Concepto de apertura sintética Apertura sintética Última vez que el SAR percibe el objeto Distancia recorrida por el SAR mientras el objeto se encontraba a la vista apertura sintética Trayectoria de vuelo Primera vez que el SAR percibe el objeto Trayectoria sobre el terreno Nadir Banda o área iluminada Objeto

10 Resolución La resolución del sensor tiene dos dimensiones: una en la dirección del alcance y la otra en la del azimut. No se debe confundir la resolución de un sensor SAR con el distanciamiento entre píxeles que resulta del muestreo realizado por el procesador de las imágenes. Alcance La resolución en la dirección del alcance se determina por las características del radar y las del procesador, esencialmente esas características de la señal a lo largo de la trayectoria entre el sensor y la superficie iluminada. La resolución en la dirección del alcance depende de la longitud del pulso transmitido; un pulso corto proporciona mejor resolución. La señal del radar se graba en el dominio del alcance. Esta señal, ya en forma digital, se proyecta al plano del terreno al procesar la imagen. Azimut En un radar convencional, la resolución en la dirección del azimut se determina por el ancho angular del haz. Para que dos objectos puedan ser identificados independientemente, deben estar separados en la dirección del azimut por una distancia mayor al ancho del haz en el terreno. El SAR sintetiza una antena (virtual) muy grande al grabar la fase de la señal de las microondas que recibe, y mediante un procesamiento adecuado, se adquiere una resolución en la dirección del azimut que depende del largo de esa antena sintética y es inversamente proporcional al tamaño de la antena real.

11 Resolución en la dirección del azimut En un radar convencional (i.e. de apertura real), la resolución en la dirección del azimut la determina el ancho del haz en esa dirección. En un radar de apertura sintética (SAR) el procesamiento de la fase de la señal permite una resolución en la dirección del azimut, más fina que la que correspondería a la longitud de la antena. partir del procesado de Resolución en la dirección del azimut a la señal ancho original del haz en la dirección del azimut

12 Celda o célula de resolución r R r A Fuente: Raney, 1998 r R = resolución en la dirección del alcance r A = resolución en la dirección del azimut

13 Ángulo de incidencia Se refiere al ángulo entre la dirección de iluminación del radar y la normal a la superficie de la Tierra. Dependiendo de la altura del radar sobre la superficie de la Tierra, el ángulo de incidencia cambia a lo largo de la dirección del alcance. Por lo tanto, la geometría de visualización un una misma imagen es diferente de punto a punto en la dirección del alcance. Ángulo de incidencia local El ángulo de incidencia local toma en cuenta la inclinación local del la superficie iluminada. El ángulo de incidencia local influye de forma determinante en la brillantez de la imagen.

14 Microondas La mayoría de los radares de percepción remota operan con señales de longitudes de onda entre.5 cm y 75 cm. La frecuencia de las microondas se clasifica de manera arbitraria en bandas identificadas por letras. Las que se emplean más comúnmente en los radares son: Banda-X: de 2.4 a 3.75 cm (12.5 a 8 GHz). Ampliamente utilizada para el reconocimiento militar y a nivel comercial. Se utiliza en el SAR CV-580 (Departamento del Ambiente, Canadá) Banda-C: de 3.75 a 7.5 cm (14 a 8 GHz). Se utiliza en muchos SARs espaciales, tales como el ERS-1 y RADARSAT. Banda-S: de 7.5 a 15 cm (4 a 2 GHz). Utilizada en el Almaz. Banda-L: de 15 a 30 cm (2 a 1 GHz). Se utilizó en el SEASAT y en el JERS-1. Banda-P: de 30 a 100 cm (1 a 0.3 GHz). Utilizada en el AIRSAR de JPL/NASA. La capacidad de penetrar a través de la precipitación o a través de la capa superior de la corteza terrestre, aumenta con la longitud de onda. La señal de los radares que operan en longitudes de onda mayores de 2 cm casi no se deteriora por la presencia de nubes. Por otra parte, la lluvia representa un factor importante para la señal con longitud de onda menor que 4 cm.

15 Longitud de onda aproximada de las microondas utilizades por los radares indicados

16 Selección de la frecuencia del radar 1 De acuerdo a cada aplicación : La longitud de onda del radar se selecciona de acuerdo a la escala del fenómeno o de las características del terreno que se desean identificar. e.g. Identificación del hielo, características de escalas relativamente pequeñas. Se selecciona la banda-x e.g. Cartografía geológica, características grandes. Se selecciona la banda-l e.g. La penetración de la señal a través del follaje es mayor mediante las frecuencias bajas. Se prefiere la banda-p En general, la banda-c es una buena alternativa

17 Comparación de frecuencias: banda - C, L y P COMPARACIÓN DE FRECUENCIAS Flevoland, Holanda Imagen de campos agrícolas Banda C Banda L Banda P Mosaicos compuestos coloreados de acuerdo a la multipolarización (cortesía de JPL)

18 Selección de la frecuencia del radar 2 En función de los factores del sistema: - Frecuencias bajas: Más difícil de procesar Requieren antenas grandes Electrónica más simple - Frecuencias altas Necesitan mayor potencia Electrónica más difícil Disponibilidad de componentes en la banda-x Note que muchos SARs de investigación pueden operar en varias frecuencias - e.g. JPL AIRSAR, SIR-C, Convair-580

19 Polarización En la polarización se toma en cuenta la orientación, la fase relativa y la periodicidad de los campos eléctricos y magnéticos de las ondas. Las antenas de los sistemas de radar se pueden configurar para transmitir y recibir radiación electromagnética polarizada ya sea horizontal o verticalmente. Cuando la energía transmitida es polarizada en la misma dirección que la recibida, al sistema se le conoce como de polarización similar. HH indica que la energía se transmite y se recibe horizontalmente polarizada; VV que la energía se transmite y se recibe verticalmente polarizada. Si la energía transmitida se polariza en una dirección ortogonal a la recibida, al sistema se le conoce como de polarización cruzada; HV indica que la transmisión es horizontalmente polarizada mientras que la recepción es verticalmente polarizada; VH indica transmisión verticalmente polarizada y recepción horizontalmente polarizada. La reflexión de una onda de radar al chocar en una superficie puede modificar la polarización, dependiendo de las propiedades de la superficie misma. Por esta modificación, una cierta superficie puede representarse como escenas diferentes mediante las imágenes de un radar polarimétrico. En muchas ocasiones el tipo de superficie se puede inferir a partir de éstas imágenes.

20 Polarización de las ondas electromagnéticas Campo eléctrico POLARIZACIÓN VERTICAL POLARIZACIÓN HORIZONTAL

21 Selección de la polarización Por aspectos de economía, los SARs básicos u operacionales tienen comúnmente sólo una polarización, e.g. HH o VV Los sistemas de investigación tienden a tener polarización múltiple, e.g. HH, HV, VV, VH (cuadripolarización) La polarización múltiple ayuda a identificar las características físicas de la superficie reflectora: - Alineación de estructuras con respecto al radar (HH vs. VV) - Carácter aleatorio de la reflexión difusa (e.g. vegetación -HV) - Estructuras angulares (e.g. HH, VV, fase de la señal) - Rugosidad que induce reflexión del tipo Bragg (e.g. océanos -VV)

22 Hielo en al Mar de Weddell, Antártica Banda-C, HH Banda-L, HV Banda-L, HH

23 Victoria y Península Saanich, Canadá Urbana Suburbana Bosque Banda-L, HV Agricultura / tala al ras Banda-C, HH Banda-L, HV Banda-L, HH

24 Beneficios de la detección y el uso de polarización múltiple En cada píxel de la imágen se pueden calcular; la matriz de reflexión difusa, la matriz de Stokes y el nivel de la polarización pueden ser herramientas poderosas para la clasificación tanto para la clasificación visual como la auotomática La matriz de reflexión difusa puede ser útil para sintetizar la señal recibida en cualquier combinación de polarización entre la transmición y la recepción investigar las propiedades de la reflexión de diferentes superficies seleccionar la polarización para una detectabilidad óptima

25 Beneficios de la multipolarización Mosaico compuesto

26 Desplazamiento del relieve La dirección de observación de los radares al formar la imagen es oblicua (i.e. iluminación lateral). Existe la posibilidad de un desplazamiento unidireccional del relieve, similar al que se observa con la fotografía aérea. En las fotos aéreas, los objetos altos se observan desplazados radialmente alejándose del nadir. La distorción del terreno en las imágenes de radar es perpendicular a la trayectoria del vuelo (o trayectoria del satélite), es decir que los objetos más altos se observan desplazados hacia el sensor.

27 Desplazamiento del relieve en fotografía aérea Sensor óptico Por triángulos similares * nadir Superficie de referencia Desplazamiento topográficas Sensor óptico d = Dislocación horizontal de la cima de una montaña de 100 m (m)

28 Desplazamiento del relieve en imágenes de radar Dirección aparente de observación Cima de la montaña Superficie de referencia Proyección ortográfica de la cima de la montaña Proyección del alcance terrestre del radar de la cima de la montaña Desplazamiento horizontal de la cima de una montaña de 100m (m) Aéreo Satélite Fuente: T. Toutin, 1992, ROS and SEASAT Image Geometric Correction IEEE-IGARS, Vol. 30, No. 3, pp

29 Sombra en las imágenes de radar La región de la superficie del terreno que no se ilumina por el radar se representa como sombra en la imagen. Ya que no se recibe señal a partir de estas regiones, las sombras aparecen con tonos muy obscuros. Las sombras se presentan detrás de las cumbres, en la dirección del alcance. Son indicadoras de la dirección de iluminación del radar. El ángulo de incidencia aumenta al alejarse del radar en la dirección del alcance (la iluminación del terreno es más oblicua). Como resultado, se inducen sombras más prominentes en las regiones más alejadas del radar. Las sombras también proporcionan información sobre la escena, tal como la altura de un objeto. Las sombras en las imágenes de radar son una clave importante en la interpretación del relieve del terreno.

30 Sombra en las imágenes de radar iluminación frente de onda escena distorsión sombre Fuente: Raney, 1998

31 Escorzo El escorzo en las imágenes de radar consiste en la apariencia de compresión de aquellas características de la escena que están inclinadas hacia el radar. El escorzo implica que el declive afectado en una imagen tenga una apareciencia relativamente más brillante, lo que debe ser tomado en cuenta por quien realice la interpretación. El escorzo alcanza su máxima expresión cuando el declive es pronunciado y es ortogonal a la dirección de iluminación del radar. En este caso, el ángulo de incidencia local es igual a cero, lo que tiene como resultado que la base, el declive y la cima de una colina se presenten de manera simultánea en la señal que se recibe y por lo tanto, ocupan la misma posición en la imagen. Para un declive dado, los efectos del escorzo disminuyen al aumentar el ángulo de incidencia. A ángulo rasantes, cuando el ángulo de incidencia se aproxima a 90, los efectos del escorzo se eliminan prácticamente (pero puede presentarse sombreado severo). Al elegir el ángulo de incidencia, siempre debe considerarse un equilibrio entre la presencia de escorzo y la de sombras en la imagen.

32 Escorzo illuminación frente de onda escena escorzo desplazamiento Fuente: Raney, 1998

33 Inversión por relieve La inversión por relieve ocurre cuando la energía reflejada por la porción superior de un objeto se recibe antes que esa que proviene de la porción inferior. En este caso, al procesar la imagen, la parte superior del objeto se verá desplazada, o puesta por encima de su base. En general, la inversión por relieve es más dominante para geometrías de visualización con ángulos de incidencia pequeños, tales como las que se utilizan por los radares en satélites.

34 Inversión por relieve iluminación i frente de onda distorsión escena inversión por relieve Fuente: Raney, 1998

35 Desplazamiento del relieve en imágenes de radar El tipo y grado de desplazamiento del relieve en las imágenes de radar son función del ángulo al cual el haz del radar toca el terreno, i.e. depende del declive local del terreno (angulo de incidencia local). Inversión por relieve Escorzo Sombra 0 90º Ángulo de incidencia local

36 Desvanecimiento y moteado En un sistema coherente de radar, con el que se forman imágenes, el desvanecimiento y el moteado son procesos inherentes, del tipo ruido, que degradan la calidad de la imagen. El desvanecimiento se debe a la variación en el retraso de la fase de la señal que se recibe, ocasionado por la presencia de varios reflectores en una misma célula de resolución con diferencias de posición en la dirección del alcance, menores a una longitud de onda. Por otra parte, la interferencia local constructiva y destructiva aparecen en la imagen como moteado brillante y obscuro, respectivamente. Al utilizar conjuntos diferentes de datos para visualizar la misma porción de terreno, promediando las muestras independientes, se pueden reducir efectivamente el deterioro de la calidad de la imagen por desvanecimiento y moteado. Esto puede hacerse de la siguiente manera: Filtrar observaciones múltiples. La apertura sintética completa se divide en subaperturas más pequeñas, generando observaciones o imágenes independientes de una región en particular, basándose en la fase de la señal (posición angular de un objeto o una región). Las diferentes observaciones se asocian a diferentes bandas de la frecuencia Doppler. Promediando (incoherentemente) los píxeles adyacentes. Al reducir estos efectos se mejora la resolución radiométrica a costa de la resolución espacial.

37 Moteado Interferencia constructiva Resultado Ondas de radar coherentes Interferencia destructiva Resultado Ejemplo de blanco homogéneo Interferencia constructiva Grados variables de interferencia (entre constructiva y destructiva) Interferencia destructiva

38 Moteado Campo de maíz Blanco espacialmente uniforme Textura fina Bosque Blanco espacialmente no-uniforme Textura gruesa 300 m 300 m

39 Reflexión difusa y reflexión especular La rugosidad de la superficie influye en la reflexión de la energía de las microondas, lo que tiene como consecuencia la brillantez de las características que se observan en las imágenes de radar. Las superficies horizontales lisas reflejan casi toda la energía incidente en forma especular, en una dirección alejándose del radar. Estas superficies son llamadas especulares (del latín speculum, que significa espejo). Las superficies especulares, como regiones de aguas tranquilas o las autopistas pavimentadas, aparecen obscuras en las imágenes de radar. Las microondas incidentes sobre una superficie rugosa se reflejan en muchas direcciones. Esto se conoce como reflexión difusa o esparcimiento. Las superficies con vegetación causan reflexión difusa, y se presentan con tonos brillantes en las imágenes de radar.

40 Reflexión difusa y especular Reflexión difusa Reflexión especular Reflector angular

41 Reflexión de las microondas 1 En general, las escenas observadas por un SAR consisten en dos tipos de superficies reflejantes; reflectores distribuidos y reflectores discretos. Los reflectores discretos se caracterizan por su forma geométrica relativamente simple, como un edificio. El elemento clásico utilizado para representar la reflexión discreta es el reflector angular, una forma geométrica que tiene caras que se intersectan entre sí con ángulos (casi) rectos (como la intersección de un camino pavimentado y un edificio alto).

42 Reflexión de las microondas 2 Los reflectores distribuidos son regiones o superficies cuya geometría y/o estructura induce una gran cantidad de reflexiones individuales de las microondas. Estas reflexiones individuales tienen fase aleatoria entre sí, como el resultado de la reflexión de las copas de los árboles en un bosque o de la de campos agrícolas. Un radar mide la componente de la energía de las microondas que se regresa por la misma trayectoria del haz de iluminación incidente, después de reflejarse difusa o especularmente por la superficie bajo observación.

43 Rugosidad de la superficie La rugosidad de una superficie reflectora se determina de manera relativa con respecto a la longitud de onda del radar y al ángulo de incidencia. Generalmente, una superficie se considera lisa si sus escalas geométricas de variaciones máximas son considerablemente menores que la longitud de onda del radar. En términos de una longitud de onda determinada, una superficie dada es relativamente más rugosa al aumentar el ángulo de incidencia. Comúnmente, las superficies rugosas aparecen más billantes en las imágenes de radar que las superficies lisas, aunque estén compuestas de los mismos materiales. En general, una superficie rugosa se define como esa que tiene variaciones de altura típicas, del orden de la mitad de la longitud de onda del radar.

44 Rugosidad de la superficie Patrones de reflexión de las microondas Onda incidente Patrón de reflexión Lisa Onda incidente Onda incidente Patrón de reflexión Patrón de reflexión Moderadamente rugosa Rugosa

45 Reflectores angulares Algunos objetos pequeños pueden aparecer extremadamente brillantes en las imágenes de radar, dependiendo de su configuración geométrica. El lado de un edificio o un puente, combinado con reflexión procedente del terreno es un ejemplo de reflector angular. Dos superficies que se intersectan y forman un ángulo recto de cara al radar, definen un reflector angular llamado diedro. La señal que regresa al radar a partir de un reflector diedro es intensa, sólo cuando las superficies reflectoras tienen una orientación cercana a la perpendicular de la dirección de la iluminación. Se pueden producir reflexiones más intensas con un reflector triedro. Estos son formados por la intersección de tres superficies planas perpendiculares entre sí, abiertas de cara al radar. Los reflectores angulares se utilizan comúnmente en la investigación. Al colocarlos en posiciones determinadas, pueden funcionar como puntos de referencia en las imágenes de radar.

46 Reflectores angulares

47 Reflexión difusa por volumen La reflexión difusa por volumen (esparcimiento por volumen) está relacionada a procesos de reflexión múltiple dentro de un medio físico, tal como la parte superior de la vegetación en un maizal o las copas de los árboles de un bosque. Este tipo de reflexión también puede ocurrir por capas de suelo muy seco, capas de arena o de hielo. La reflexión por volumen es importante ya que influye en la retro-reflexión total observada por el radar. El radar recibe ambas señales, la componente reflejada por la superficie y esa reflejada por volumen. La intensidad de la reflexión por volumen depende de las propiedades físicas del medio reflector (particularmente de las variaciones de la constante dieléctrica) y de las características del radar (longitud de onda, polarización y ángulo de incidencia).

48 Reflexión de las microondas Retro reflexión difusa de la copa Retro reflexión difusa del suelo Reflexión suelo-tronco (Reflector angular) Reflexión copa-suelo

49 Contenido de humedad La presencia de humedad aumenta la constante dieléctrica (número complejo) de un material. La constante dieléctrica influye en la capacidad del material para absorber, reflejar y transmitir la energía de las microondas. El contenido de humedad de un material puede cambiar sus propiedades eléctricas. Esto afecta la forma en que un material aparece en la imagen de radar. La apariencia de materiales idénticos puede ser diferente, según la cantidad de humedad que contengan. La reflectividad y en consecuencia la brillantez de la imagen de la mayoría de la vegetación natural y de las surperficies naturales, aumenta con el contenido de humedad. Las microondas pueden penetrar materiales muy secos, como las arenas del desierto. La reflexión resultante es función de las propiedades de las capas superficiales y subsuperficiales. En general, mientras más larga sea la longitud de onda del radar, mayor será la penetración de la energía dentro del material.

50 Comparación entre SAR de satélite y SAR de aeronave Ventajas de SAR de satélite Mayor cobertura por segundo (Km 2 /s) Costos de operación menores ($/Km 2 ) Sin restricciones por las condiciones de vuelo o la proximidad de aeropuertos Visualización de áreas más amplias Procesamiento de la señal más simple (sin compensación por el movimiento) Desventajas Más caro de diseñar, construir y lanzar Más difícil que proporcione polarización múltiple y varias frecuencias Imposibilidad de volar a sitios específicos ante alguna solicitud especial Menor resolución en general

51 Comparación de la geometría de las imágenes SAR ESPACIAL SAR AÉREO aéreo km espacial 25 >500 km O ANCHO DES ÁREA ILUMINADA

52 Selección del ancho del área iluminada Limitada por las ambigüedades en la dirección del alcance y la capacidad en el procesamiento de los datos. Necesario llegar a un acuerdo para decidir entre la resolución en la dirección del azimut, el número de observaciones (imágenes independientes), y la capacidad de procesamiento. Para satélites: Km típico Para aeronaves: Km típico RADARSAT puede operar con haz de iluminación amplio al reducir la resolución y al utilizar cuidadosamente la ganancia de la antena para controlar las ambigüedades en la dirección del alcance. RADARSAT y el futuro Envisat utilizan ScanSAR para áreas iluminadas extra amplias

53 RADARSAT-1

54 Modos de adquisición de imágenes del SAR del RADARSAT-1 Haces Extendidos - Ángulos de incidencia bajos Trayectoria del satélite Haces Estándar ScanSAR Haces Anchos Haces Extendidos - Ángulos de incidencia altos Haces de Resolución Fina

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