Introducción a La Teledetección Cuantitativa

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


Absorcin

Retrodispersin

Emisin

Dispersin

Radiacin solar

Trasmisin

Radiacindetectada por el sensor

retrodispersin

reemisin

Radiacinemergente

absorcin

dispersin

Radiacin reflejadaespeculamente

Radiacinemitida


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


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


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.


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.

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....


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


Las caractersticas del saltodel R al IR es un indicador del stress y la productividad en la vegetacin

El borde Rojo !!!


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: 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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