Qué Física usa la Teledetección?

¿Qué Física usa la Teledetección?
DRP
DFMF – UNED
26 de Octubre 2007
DRP (DFMF – UNED)
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Física
Conceptos de Física involucrados
Electromagnetismo
I
ondas electromagnéticas
Electrónica
I
electrones y fotones
Óptica
I
reflexión, refracción, transmisión, absorción y dispersión
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Física
Conceptos útiles derivados
Espectro
I
bandas, radiancia
Detectores
I
detectores, espectrorradiómetros
Firma espectral
I
transmisividad atmosférica, absorción molecular, dispersión en materiales
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Física
Conceptos útiles derivados
Espectro
I
bandas, radiancia
Detectores
I
detectores, espectrorradiómetros
Firma espectral
I
transmisividad atmosférica, absorción molecular, dispersión en materiales
Cuidado
Mucho más complicado que lo que se cuenta. . .
. . . pero lo que se cuenta basta para empezar!
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Ondas electromagnéticas
Campo electromagnético
Campo eléctrico
I
creado por cargas
(las cargas se conservan)
Campo magnético
I
creado por corrientes
(las corrientes no se conservan)
Campo eléctrico inducido
I
creado por campos magnéticos variables
(∼corrientes cambiantes)
Campo magnético inducido
I
creado por campos eléctricos variables
(∼cargas cambiantes)
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Ondas electromagnéticas
Campo electromagnético
Campo eléctrico
creado por cargas
(las cargas se conservan)
Campo magnético
I
Campo electricoE
Longitud de onda λ
Campo magneticoH
creado por corrientes
(las corrientes no se conservan)
Amplitud
I
ad
nsid
Inte
Campo eléctrico inducido
I
Campo magnético inducido
I
Vector de propaga
creado por campos magnéticos variables
(∼corrientes cambiantes)
Plano de polarizacionΠ
creado por campos eléctricos variables
(∼cargas cambiantes)
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Ondas electromagnéticas
Campo electromagnético
Campo eléctrico
I
Campo electricoE
Longitud de onda λ
Amplitud
Campo magneticoH
Campo magnético inducido
I
s
n
Inte
cambios en la materia:
moléculas, átomos y electrones
d
ida
VARIABLE: percibido por las
antenas
Vector de propagacion k
Plano de polarizacionΠ
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Ondas electromagnéticas
Campo electromagnético
Campo eléctrico
I
Campo electricoE
Longitud de onda λ
Amplitud
Campo magneticoH
Campo magnético inducido
I
s
n
Inte
cambios en la materia:
moléculas, átomos y electrones
d
ida
Vector de propagacion k
Campo electromagnético
I
Plano de polarizacionΠ
I
I
DRP (DFMF – UNED)
VARIABLE: percibido por las
antenas
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longitud de onda vs. frecuencia:
λν = c
amplitud vs. intensidad: I ∝ E20
vectores de propagación k y
polarización ε̂
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Ondas electromagnéticas
Espectro matemático
Descomposición frecuencial del campo
I
cualquier señal se puede expresar como suma de señales con frecuencias
dadas
E(x, t ) =
Eν (x) cos(2πνt + ϕν )
∑
ν
F
I
Teorema de Fourier
la energía total es suma de las energías de las distintas frecuencias
I (x) = ∑ Iν (x)
ν
I
Espectro:
F
F
reparto de energías por frecuencias
reparto de energías por longitudes de onda
λ = c /ν
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Ondas electromagnéticas
Espectro electromagnético
Rangos de frecuencias
I
frecuencias bajas
F
I
microondas, ondas
de radio
Frecuencias usadas en
Teledetección
frecuencias medias
F
infrarrojo, luz visible
I
I
I
I
I
frecuencias altas
F
I
ultravioleta
I
frecuencias muy altas
F
DRP (DFMF – UNED)
I
visible
infrarrojo cercano (NIR)
infrarrojo medio (SWIR)
infrarrojo lejano/térmico
(TIR)
...
Microondas (RADAR)
rayos X, rayos γ
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Ondas electromagnéticas
Espectro electromagnético
Rangos de frecuencias
bajas
¿Longitud defrecuencias
onda o frecuencia?
I
microondas, ondas
radiaciones
de frecuencias
de radio
F
Frecuencias usadas en
Teledetección
medias y altas,
se describen dando su
Las
I visible
longitud de onda. Esto es así, porque se analizan
con rejillas de
I frecuencias medias
I infrarrojo cercano (NIR)
difracción, que separan las longitudes de onda.
I
infrarrojo medio (SWIR)
I
Microondas (RADAR)
infrarrojo, luz visible
Las radiaciones
de frecuencias bajas, se analizan
mediante circuitos
I infrarrojo lejano/térmico
I
frecuencias
altas
electrónicos, por lo que se describen bien con las
frecuencias de
(TIR)
F éstos.
oscilación de
I ...
ultravioleta
F
I
frecuencias muy altas
F
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rayos X, rayos γ
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Ondas electromagnéticas
Espectro usado en Teledetección
Frecuencia, MHz
visible
infrarrojo
I
I
I
I
infrarrojo cercano (NIR)
infrarrojo medio (SWIR)
infrarrojo lejano/térmico
(TIR)
...
Microondas (RADAR)
DRP (DFMF – UNED)
Longitud de onda
RW
10
7
10
8
3m
10
9
30 cm
10
10
10
11
3 mm
10 12
300 µ m
13
30 µ m
10
30 m
MW
IR
10 14
TIR
SWIR
3 cm
0.7 µ m
R
3 µm
NIR
10
15
300 nm
10
16
30 nm
10 17
UV
3 nm
10
18
3A
10
19
0.3 A
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G
B
0.4 µ m
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Ondas electromagnéticas
Espectro electromagnético del sol
0.12
Espectro solar:
I
0.1
espectro de cuerpo
negro T ' 6000 K
espectro de absorción
F
F
atmósfera solar:
líneas
atmósfera terrestre:
bandas
Radiancia
I
0.08
0.06
0.04
0.02
0
500
Ventanas atmosféricas
DRP (DFMF – UNED)
1000
1500
2000
2500
Longitud de onda (nm)
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Fotones y electrones
Teoría cuántica
Cuantización de la energía
εν = hν
Cuantización de la materia
λdB = h/mv
Probabilidades de transición
w (1 → 2) =
λΓ212 w0
(hν − ∆E12 )2 + 14 Γ212
Espectro de emisión/absorción
ν=
DRP (DFMF – UNED)
Efinal − Einicial
h
↔λ=
hc
Efinal − Einicial
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Fotones y electrones
Teoría cuántica
Niveles energeticos
Espectro de emision
Espectro de absorcion
E6
E5
E4
E3
E2
E6
E5
E4
E3
E2
E1
E0
E1
E0
DRP (DFMF – UNED)
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Fotones y electrones
Teoría cuántica
Espectros de emisión y absorción
Espectro “blanco”: igual energía para todas las frecuencias
de emision
Espectro
de absorcion
EspectroEspectro
de emisión:
la energía sólo en ciertas
frecuencias
y no en el
E6
E5
E 4 de absorción: la energía desviada
E4
Espectro
de ciertas frecuencias, no
E
E
3
3
llega Eal observador
E2
2
Niveles energeticos
6
restoE
ellas
Ede
5
E1
E0
DRP (DFMF – UNED)
E1
E0
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Fotones y electrones
Teoría cuántica
Espectros de emisión y absorción
Espectro “blanco”: igual energía para todas las frecuencias
de emision
Espectro
de absorcion
EspectroEspectro
de emisión:
la energía sólo en ciertas
frecuencias
y no en el
E6
E5
E 4 de absorción: la energía desviada
E4
Espectro
de ciertas frecuencias, no
E
E
3
3
llega Eal observador
E2
2
Niveles energeticos
6
restoE
ellas
Ede
5
E1
absorcion+emision=blanco
E
0
E1
E0
Las frecuencias que faltan en el espectro de absorción son las que aparecen
en el espectro de emisión de la sustancia correspondiente
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Espectros
Atómicos y moleculares
Característico (¿único?) de
cada sustancia
I
I
átomos → líneas
moléculas → bandas
Bandas de absorción
I
análisis químico
Coeficiente de absorcion (cm −1)
1000
100
10
1
0.1
0.01
0.001
600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600
Longitud de onda (nm)
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Espectros
El cuerpo negro
W=
I
I
2πhc 2
1
λ5
exp(hc /λkB T ) − 1
W = σT 4 , σ =
5,7 × 10−8 W/m2 /K4
λT = 2898 µm K
DRP (DFMF – UNED)
Irradiancia espectral
Espectro de cuerpo negro
(Wm −2µm −1
)
5000
4000
3000
2000
1000
0
500
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1000
1500
Longitud de onda (nm)
2000
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2500
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Espectros
Reales
Espectro continuo
cuerpo negro
Espectro solar
(extraterrestre)
I
cuerpo negro absorción elementos
Luz solar en superficie
Irradiancia espectral (W m−2 /nm)
I
2.5
Espectro de cuerpo negro a 6000 K
2
Espectro solar extraterrestre
1.5
1
Espectro solar en la superficie terrestre
0.5
0
500
I
cuerpo negro absorción atmosférica
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1000
1500
2000
2500
Longitud de onda (nm)
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Detectores
Espectrorradiómetros
Analizador
I
I
Detectores de luz
I
I
Espejo
r
descomposición de la
luz en longitudes de
onda
prisma
rejilla de difracción
Detecto
I
Analizador
Entrada de luz
CCD
“CCD por nanómetro”
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Detectores
Espectrorradiómetros
Analizador
I descomposición de la
Hardware+software
Espejo
Detecto
r
luz en longitudes de
Espectrorradiómetro: fibra óptica+analizador+detector+ordenador
onda
I prisma
Analizador
I rejilla de difracción
Detectores de luz
I
I
Entrada de luz
CCD
“CCD por nanómetro”
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Energía en una superficie
Balance: saliente, entrante
Energía total
Energía total
I
I
potencia radiada (W)
flujo saliente, ΦE
I
I
Energía emitida por unidad
de superficie
I
densidad de flujo
radiante, jE (x , y )
(W/m2 )
Emitancia, E (x , y ) (W/m )
DRP (DFMF – UNED)
Energía absorbida por
unidad de superficie
I
2
potencia absorbida (W)
flujo incidente, ΦI
densidad de flujo
radiante, jI (x , y ) (W/m2 )
Irradiancia, M (x , y )
(W/m2 )
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Energía en una superficie
Balance: saliente, entrante
Energía total
Energía total
I
I
potencia radiada (W)
flujo saliente, ΦE
I
I
Energía emitida por unidad
de superficie
I
densidad de flujo
radiante, jE (x , y )
(W/m2 )
Energía absorbida por
unidad de superficie
I
2
Emitancia, E (x , y ) (W/m )
potencia absorbida (W)
flujo incidente, ΦI
densidad de flujo
radiante, jI (x , y ) (W/m2 )
Irradiancia, M (x , y )
(W/m2 )
...Espectrales
Las magnitudes radiométricas espectrales se refieren a la energía que se
transporta en las distintas longitudes de onda.
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Energía sobre una superficie
Dirección de procedencia
Radiancia, L(x , y ; θ, ϕ)
L(x , y ; θ, ϕ) dS (x , y ) d Ω(θ, ϕ) =
d 2 ΦI
dSd Ω
dS (x , y ) d Ω(θ, ϕ)
Radiancia espectral, L(x , y ; θ, ϕ; λ)
L(x , y ; θ, ϕ; λ) dS (x , y ) d Ω(θ, ϕ)d λ =
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d 2 ΦI (λ)
dSd Ωd λ
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dS (x , y ) d Ω(θ, ϕ)d λ
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Energía sobre una superficie
Dirección de procedencia
Radiancia, L(x , y ; θ, ϕ)
... a la fuente emisora
dΩ
dθ
dS
dθ
... conducto de admision
... al detector
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Balance energético
Conservación de la energía
ΦI = Φr + Φd + Φa + Φt
ρ: reflectividad
I
ρs : reflectividad
I
superficial
ρd : reflectividad interna
Referido a la energía incidente:
1 = ρs + ρd +α + τ
| {z }
ρ
DRP (DFMF – UNED)
α: absortividad
τ: transmisividad
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Balance energético
Conservación de la energía
ΦI = Φr + Φd + Φa + Φt
. . . -ividad
ρ: reflectividad
I ρs : reflectividad
El sufijo -ividad indica que se trata de magnitudes relativas.
superficial
Referido a la energía incidente:
I ρd : reflectividad interna
1 = ρs + ρd +α + τ
| {z }
ρ
DRP (DFMF – UNED)
α: absortividad
τ: transmisividad
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Balance energético
Conservación de la energía
ΦI = Φr + Φd + Φa + Φt
. . . -ividad
ρ: reflectividad
I ρs : reflectividad
El sufijo -ividad indica que se trata de magnitudes relativas.
superficial
Referido a la energía incidente:
I ρd : reflectividad interna
. . . -ividad1 espectral
= ρs + ρd +α + τ
α: absortividad
| {z }
El flujo espectral no
se
conserva,
en
general.
Sin
..
ρ
τ: embargo.
transmisividad
Se definen las ρλ , αλ y τλ para estudiar el efecto de la materia sobre
cada longitud de onda del espectro
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Espectros de. . .
absorción, transmisión y reflexión
Firmas espectrales = espectro de {absorción, transmisión, reflexión}
I
α(λ), τ(λ): experimentos de extinción
F
F
I
campo: evaluación de aguas
laboratorio: composición de disoluciones
ρ(λ): observación de luz reflejada
F
F
campo: [luz reflejada]/[luz incidente]
teledetección: [luz reflejada]/[¿luz incidente?]
Hipótesis: cada sustancia tiene una firma única
Hipótesis: una firma caracteriza una sustancia
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Espectros de. . .
absorción, transmisión y reflexión
Firmas espectrales = espectro de {absorción, transmisión, reflexión}
I
α(λ), τ(λ): experimentos de extinción
F
F
I
campo: evaluación de aguas
laboratorio: composición de disoluciones
ρ(λ): observación de luz reflejada
F
Problema
F
campo: [luz reflejada]/[luz incidente]
teledetección: [luz reflejada]/[¿luz incidente?]
Hipótesis:
cada sustancia tiene una firma única
Mezclas
de sustancias:
Hipótesis:
una firma caracteriza
una sustancia
¿cómo separar/distinguir
las firmas?
“arte” de la espectroscopía
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Bandas prohibidas
Bandas de absorción atmosférica
Si ΦI (λ) ' 0, no se pueden
calcular α(λ), τ(λ), ρ(λ)
Ozono
Vapor de agua
1
CO2
0.8
Reflectividad
0.12
Radiancia
0.1
0.08
0.06
0.6
0.4
0.2
0.04
0
500
0.02
1000
1500
2000
2500
Longitud de onda (nm)
0
500
1000
1500
2000
2500
Longitud de onda (nm)
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Lectura de un espectro
Efectos de la estructura
Efectos de la dispersión
Magnificación por absorción-reflexión
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Lectura de un espectro
Efectos de la estructura
Efectos de la dispersión
Magnificación por absorción-reflexión
¿Difracción?
La difracción en las estructuras de las cubiertas naturales (> 10 µm) no es
importante:
La luz se propaga siguiendo rayos de la óptica geométrica.
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Espectros prototipo
Vegetales
Características:
1
absorción alta en el visible
clorofila: color de las
hojas
alta reflectividad en el NIR
I
I
dispersión en el mesófilo
valles de absorción de
agua
Reflectividad
I
0.8
0.6
0.4
0.2
0
500
vigor vegetal / hoja seca.
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1000
1500
2000
2500
Longitud de onda (nm)
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Espectros prototipo
Estructura de una hoja
Características:
reflexión en la cutícula
Reflexion
mesófilo en empalizada
I
absorción por
cloroplastos
Absorcion
mesófilo esponjoso
I
I
I
Dispersion
Transmision
dispersión por huecos
de aire
más cuantos más
huecos
menos cuanto mayores
huecos
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Espectros prototipo
Suelos
1
Características:
0.8
I
absorción por minerales
aumento continuo en NIR
I
I
reflexión difusa en
superficie
valles de absorción de
agua
DRP (DFMF – UNED)
Reflectividad
baja reflectividad
0.6
0.4
0.2
0
500
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1000
1500
2000
2500
Longitud de onda (nm)
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25 / 29
Espectros prototipo
Suelos
Características:
1
disminución de
reflectividad
contenido orgánico
humedad
aumento de reflectividad
I
finura del grano
valles de absorción de
hierro
I
Reflectividad
I
I
0.8
0.6
0.4
0.2
0
500
1000
1500
2000
2500
Longitud de onda (nm)
900 nm
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Espectros prototipo
Agua fluvial
Limpia
muy baja reflectividad
(< 1 %)
Con partículas en
suspensión
I
I
mayor concentración,
mayor reflectividad
mayor concentración,
mayores longitudes de
onda
DRP (DFMF – UNED)
0.5
0.4
Reflectividad
I
0.3
0.2
0.1
0
400
500
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600
700
800
900
1000
1100
Longitud de onda (nm)
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27 / 29
Espectros prototipo
Nieve y hielo
1.0
0.9
Nieve fresca
0.8
Nieve
muy alta reflectividad
(' 100 %)
Fusión / compactación
I
disminuye la
reflectividad
Reflectividad
I
0.7
0.6
0.5
Hielo refundido
0.4
0.3
Hielo de glaciar
0.2
0.1
0
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
Longitud de onda (nm)
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Recapitulación
. . . lo que tiene que quedar
espectro electromagnético
I
I
diferentes energías a diferentes longitudes de onda
cambios de energía electrónicos
absorción atmosférica por moléculas de gas
I
ventanas atmosféricas
absorción en las cubiertas
I
composición: mínimos de reflectancia
reflexiones en las cubiertas
I
estructura porosa o de capas: mayor reflectividad
discriminación de firmas espectrales por cubiertas
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