CONAE-Agencia Espacial Argentina
CURSO TELEDETECCION OPTICA
Teledetección
Sensores y plataformas son los componentes de un sistema de adquisicion para obtener informacion a distancia
Adquisición de imágenes
Capacidad de obtener información de un objeto o fenómeno sin estar en contacto directo con el.
Sensores
Plataforma
Posee detectores sensibles a la radianza, es decir la cantidad de luz que llega al sensor y es traducido a una señal electronica
conjunto de instrumentos que lleva en el sensor
Instrumento electronico
Hace posible la adquisición de imágenes: puede ser avión, dron, globo aerostático, plataformas satelitales etc
Sensores pasivos
Sensores activos
1.una fuente emite radiación electromagnetica
2.la radiación interactúa con la atmosfera y la superficie terrestre para luego reflejarse
3.El sensor recibe esas señales y las procesa, luego la plataforma enviara esas señales a una estación terrestre para su descarga
La fuente de energía se encuentra en la misma plataforma
Esta emite un pulso que interactúa con la superficie y la misma plataforma recibe y procesa la señal
Ejemplos:
Landsat (nombre misión) 8(numero mision)- OLI, TIRS(instrumento puede tener mas de un instrumento)
Landsat (nombre misión) 5(numero mision)- TM(instrumento tematic maps)
Se clasifican según el tipo de orbita
Orbita
Orbita polar
camino que recorre un cuerpo en el espacio
Las mas importantes en teledeteccion son polares y geoestacionarias
Polares: orbita en torno a la Tierra en direccion norte-sur o sur-norte y tarda en promedio 100min en completar una vuelta
Geoestacionarias: orbita en el mismo sentido y velocidad angular de la Tierra
el satélite pasa por una determinada latitud en sincronía con el sol de este modo nos aseguramos que el objeto en el terreno este iluminado
Las orbitas polares se encuentran entre los 300 y 1000km de altitud
son en general helio sincrónica
Orbita geoestacionarias
orbita en el mismo sentido y velocidad angular de la Tierra
Se situan sobre el ecuador a 36000km aprox
El área de cobertura es siempre la misma, si miramos desde la tierra lo veríamos como un punto fijo
Resolución espacial
Capacidad del sensor de distinguir objetos en el terreno
Definir objetos en el terreno del espacio
Introducimos dos parámetros
FOV
iFOV
Campo de visión
Angulo del satélite respecto a la superficie terrestre, a través del cual un sensor puede detectar radiación electromagnética dependiendo el tamaño del sensor y el arreglos de lentes.
Su proyección en el terreno será el ancho de barrido y nos dará una idea de la extensión total que puede tener una imagen satelital
Angulo solido en el cual un detector del sensor es sensible a radiación electromagnética junto con la altura de la plataforma espacial, definirán la resolución espacial es decir cual es la superficie mínima que puede medir el sensor
Resolucion proyectada en iFOV en el terreno la informacion sera sintetizada en una unica celda
Campo de visión instantáneo
Resolución temporal
Tiempo de revisita
Cada cuanto censa un satélite sobre determinada superficie
ejemplo
Si queremos analizar deslizamientos de tierra o inundaciones en zonas urbanas precisaremos alta resolucion espacial y temporal
Si queremos realizar un estudio geologico a escala regional podemos utilizar imagenes con baja resolucion temporal y espacial
A medida que aumenta la resolucion espacial disminuye la resolucion temporal y viceversa estas restricciones estan asociadas a la capacidad de adquisicion, almacenamiento y procesamiento de los sistemas satelitales
Principios Físicos
Radiación electromagnética
Energía que se mueve a la velocidad de la luz en una onda de propagación armónica con amplitud A, Longitud de onda lambda y frecuencia F
Las ondas con mayor magnitud tendrán menos frecuencias por lo tanto menos energía
Las ondas con menor magnitud tendrán mas frecuencia por lo tanto mas energía
Las ondas electromagnéticas se clasifican en relacion a su magnitud resulta de mayor utilidad para detectar diferentes blancos ya que interactúan de diferente manera
long de onda = 560 nm pertenece al verde
Longitud de onda = 655 nanometro pertenece al rojo
long de onda = 480 nm pertenece al azul
Valores de longitud de onda < 480 nm, se encuentra la radiacion ultravioleta, Rayos x, Rayos gamma
Valores de longitud de onda > 700 nm, se encuentra la radiación infrarroja, a medida que aumenta la long en orden de los cm Microondas, y en metros onda de Radio
En teledetección óptica se trabaja con
Visible
Infrarrojo
En teledetección SAR se trabaja con
Azul: long = 450-495nm
Verde: long = 495-570nm
Rojo: long= 620-750nm
Onda corta: long = 1,4 - 3 um
Termico: long = 8 - 15 um
Cercano: long = 0,75 - 1,4 micrometro
Para pasar de um -> nm multiplicamos los valores por mil
Microondas
BANDA K: long = 26,5 - 180,0 Gigahearth
BANDA X: long = 12,5 - 8,0 GHz
Son long mayores, con 5 ordenes de magnitud aproximadamente con respecto al rango utilizado en el optico
BANDA L: long = 2,0 - 1,0 GHz
Radiancia
Los sensores miden energia como el flujo de radiacion que refleja un area de superficie terrestre en una determinada direccion y angulo recibidos durante un tiempo de medicion
Cono de flujo de radiacion que recibe el sensor proveniente de cierta area
Depende de las caracteristicas fisico-quimica del objeto como la geometria de la observacion y la fuente de iluminacion
Interacciones entre radiacion electromagnetica , la superficie terrestres y atmosfera
Interaccion entre materia y radiacion
transmitancia
al insidir un rayo de luz sobre la superficie y la atmosfera puede ocuurar tres fenomes
La luz puede ser reflejada por ej una pared blanca o un espejo
La luz puede ser absorbida por ej un cuerpo de color negro o una nube
La luz puede ser transmitida por ej. a traves de un vidrio, tela, hoja
T sublambda = Lt, lamda / L0, lamda
Al cociente entre la radiancia insidente y la transmitida por el cuerpo lo definimos como transmitancia
absorbancia
A sub lamda = L a,labda / L0,lamda
Radiancia absorbida sobre radiancia insidente
Radiancia transmitida sobre radiancia insidente
Al cociente entre la radiancia insidente y la absorbida por el cuerpo lo definimos como absorbancia
reflectancia
P sub lambda = Lp, lambda / L0;lambda
El cociente entre la radiancia insidente y la reflejada por el cuerpo lo definiremos como reflectancia
Radiancia insidente sobre radiancia reflejada
Para Teledetección optica esla magnitud fisica importante
Nos permite hacer inferencias y predicciones sobre la composicion y respuestas de los objetos en la superficie terrestre
Interpretacion visual de imagenes satelitales
Presentan diferentes formas de ver
Utilizacion de las zonas del espectro en donde nuestros ojos no pueden sensar
La representacion de la superficie terrestre a diferentes escalas y resoluciones
Observacion de objetos no familiares
Tipos de interpretaciones
Tamaño
Textura
Forma
Nos referiremos al contorno de un objeto individual
Caracteristica ms importante y distintiva
Los parametros mas comunes a medir son
Largo
Ancho
Perimetro
Superficie de un objeto
Refiere al arreglo de repeticiones de tono o colores en una imagen
Puede ocurrir que dos coberturas tengan las mismas caracteristicas espectrales pero al evaluarlo visualmente perciban texturas distintas permitiendo su diferenciacion
Tipos
Textura suave
Textura rugosa
Define sitios homogeneos o uniformes
Para identificar zonas gruesas o heterogeneas
Patron
definimos como a un determinado arreglo de objetos en el espacio
los objetos naturales podrán mostrar una posicion aleatoria
Los objetos introducidos por el hombre son sistematicas
El analisis es diagnostico de distintas caracteristicas espaciales
Brillo
Materiales de la superficie como la vegetacion, agua o rocas reflejan diferentes proporciones de energia del espectro electromagnetico
Permite cuantificar la proporcion de energía reflejada para cada longitud de onda
El brillo se observa en una imagen monocromatica, es decir obtenido para la longitud de onda
Las zonas mas brillantes representan mayor radiancia reflejada
Las zonas mas oscuras representan menor radiancia reflejada
Las zonas mas grises son intermedias
Color
Naranja: suelo sin cobertura
Azul: agua
Verde: vegetacion
las llamaremos bandas
Las coberturas terrestres reflajan de manera diferente en el espectro electromagnetico, por lo tanto se pueden inferir algunas caracteristicas biofisicas a partir de la interpretacion visual relacionandolo con el concepto de firma espectral
Los colores se fusionan creando los demás colores
CURSO TELEDETECCION SAR
Formacion de imagenes
una imagen digital o archivo de tipo raster esta compuesto por elementos discretos denominados pixeles ordenados en una matriz
Cada pixel tiene un unico valor numerico que representa su intensidad de brillo, comunmente se lo denomina valor de brillo
Cuanto mayor sea el valor numerico mayor sera la intensidad de brillo y cuando menor sea el valor menor sera la intensidad del brillo
Puede reflejar ese valor radianza, reflectancia o alguna variable obtenida a partir de un sensor remoto como ser un valor de altura, concentracion de gases atmosfericos o de clorofila
Imagen
Es habitual tener varias imagenes o bandas en un mismo archiuvo
Hablaremos de imagen o raster como el conjunto de bandas
Radiometria
Resolucion radiometrica
Resolucion espectral
Describe el rango y el numero posible de brillo
Se expresa en forma de numeros binarios o bits necesarios para representar dicho rango
A mayor resolucion mayor sensibilidad tiene el sensor para medir intensidades de radianza
Las imagenes con mayor resolucion presentaran mas detalle en las intensidadews de los pixeles
Ejemplo
Imagen de resolución 8 bits: 2^8 = 0-255 contiene 256 valores enteros de intensidad de brillo. Mas brillantes tenderan a 255 y menos brillantes tenderan a 0
Resolucion 4 bits: 2^4 = 0-15, contiene 16 valores de intensidad de brillo. Mas brillante tenderan a 15 y menos brillante a 0. Presenta perdida de detalles en la zona de cultivos
Resolucion 2 bits: 2^2 = 0-3 valores de brillo 3. Los mas brillantes tenderan a 3 y los menos brillantes a 0. Se dificulta distinguir zonas urbanas de cursos de agua, ya que los pixeles tienen mismo valor y las zonas de cultivo toman dos valores posibles
Resolucion 1 bit: 2^1= 0-1 puede tomar solo dos valores. Apenas se puede distinguir dos tipos de usos y coberturas
Es el numero y la dimensión de los intervalos de longitud de onda especifico en el espectro electromagnético
Numero y ancho de banda espectrales en la que adquiere una plataforma satelital
Las plataformas stelitales pueden ser
Multiespectrales
Hiperespectrales
Contiene sensores que registran multiples bandas cubriendo en algunas zonas del espectro
Contiene sensores que registran cientos de bandas espectrales cubriendo de manera continua un rango
INDICES ESPECTRALES
Es una operacion aritmetica que se calcula para cada pixel utilizando las bandas de reflectancia espectral dos o mas longitudes de onda. De este modo pasamos de una imagen multibanda reflectancias a una imagen monobanda sin dimensiones
¿Para que sirve?
Los indices nos permite relacionar parametros biofisicas de la superficie como la cobertura, propiedad primaria neta o contenido de clorofila en plantas, composicion de minerales en rocas o estimacion de superficies tomadas por incendios. Es decir nosotros podemos inferir a partir de un indice determinadas variables biofisicas
Clasificación
Se pueden clasificar según la cobertura de análisis
Índices espectrales de suelos
Índices espectrales cuerpos de agua
Índices espectrales de vegetación
SimpleRatio(SR) = Pnir(verde) / pRed(infrarojo)
No sabemos cual es la cota superior o la cota inferior
NormalizedDiferenceVegetationIndex(NDVI) = Pnir - Pred / Pnir + Pred
Con Pnir y Pred, las reflectancias en infrarrojo cercano y el rojo
El NVDI puede tomar valores entre -1 y 1. de este modo conoceremos los valores inferiores y superiores para comparar distintos valores entre diferentes ambientes
Relacion con variables biofisicas
Satura cuando el canopeo es muy denso, es decir cuando hay mucha densidad de vegetacion el indice ya no responde a aumentos de la vegetacion
La reflectancia del suelo lo puede afectar. Es decir en caso contrario cuando hay menor cantidad de vegetacion y mayor cantidad de suelo sin cobertura, la reflectancia puede hacer que se subestime de biomasa
SoilAdjustedVegetationIndex(SAVI) P = (Pnir - Pred / Pnir + Pred + L) * (1 + L)
Pnir y Pred las reflectancias en el infrarrojo cercano y el rojo
Coeficiente L tiene en cuenta la reflectancia del suelo, se estima de manera empirica por lo tanto es dificil saber de antemano que valor utilizar en cada imagen
Dificil de conocer el valor de L a priori
El consenso cientifico estima un valor de L = 0,5
Ajusta mejor las variaciones de las reflectancias del suelo
Estimador de la cobertura de la biomasa de la vegetacion
Estimador de la cobertura de la biomasa de vegetacion
NormalizedDifferenceWaterIndex(NDWI) = Pnir - Pswir1 / Pnir + Pswir1
Pnir y Pred las reflectancias en el infrarrojo cercano e infrarrojo de onda corta
Estima el canopeo de humedad de las hojas y el canopeo general
La vegetación con mayor contenido de agua tendrá valores de reflectancia menores en infrarrojo de onda corta uno por lo tanto este valor va a dar como resultado valores de NDWI superior, es decir con mayor contenido de agua en canopeo
Es de escasa utilidad para la cuantificacion en suelos sin cobertura vegetal, dada la escasa penetrancia que tiene los sistemas opticos en los suelos
Indices espectrales de severidad de incendios
NormalizedBurnRatio(NBR) = Pnir - Pswir2 /Pnir + Pswir2
Pnir y Pswir2 las reflectancias en infrarrojo cercano y el infrarrojo de onda corta 2(220nm aprox)
Los valores muy altos del infrarrojo de onda corta 2 van a hacer que este termino sea negativo y por lo tanto el NBR va a tener valores negativos a medida que el incendio sea mas severo
Al quemarse biomasa se invierte el salto SWIR-NIR
Se requiere comparar dos imagenes pre y post incendio esto ocurre en lugares donde la vegetacion es mas escasa y la reflectancia del suelo tiene mayor incidencia
Índices espectrales de geología
ClayMineralsRatio(CMR) = Pswir1 / Pswir2
Pswir1 y Pswir 2 las reflectancias de onda corta 1 y 2
Resalta las hojas alteradas hidrotermalmente que contienen arcilla y alunita
IronOxideRatio(IOR) = Pred / Pblue
Pred y Pblue reflectancias en el rojo y azul
Firma espectral de un mineral ferroso
Areas con fuelte alteracion del hierro tengan valores mas altos en IOR
Buenas herramientas para inferir variables biofisicas a partir de sensores remotos
Nos permite cubrir areas mucho mas grande que lo que haríamos midiendo esas variables en el terreno
Tiene varias restricciones muchas veces las variables biofísicas no ajustan exactamente a los índices y son solamente una aproximación de esa variable
Se debe tener en cuenta no solo las restricciones sino el contexto, ya que si aplicamos un determinado índice para un lugar que no esta preparado nos puede dar información errónea y tomar malas decisiones. por ej podemos utilizar un indice de suelo donde hay cobertura de vegetacion, y ese indice tal vez nos dice que hay un determinado mineral, pero la realidad es que sobre ese mineral solamente hay cobertura vegetal y es eso lo que esta midiendo el indice. Hay que tener mucha precaución al elegir el indice