Firmas espectrales

INTRODUCCIÓN A LA
TELEDETECCIÓN CUANTITATIVA
Haydee Karszenbaum – Veronica Barrazza
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Clase 1.5: Interacciones en el óptico: firmas
espectrales
1
Teledetección cuantitativa
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
Interacción de la radiación em con la materia
¿Cómo se distribuye la
energía que llega del
sol?
Principio
Principio de
de conservación
conservación de
de la
la energía
energía
Ei  Er  Ea  Et
Ea
Et
Er



Ei
Ei
Ei
¿cuál de estas magnitudes mide
un sensor remoto?
Interacciones
Agua
Suelos
vegetación
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
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?
¿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
¿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
¿Cómo se distribuye la radiación em que llega al agua?
Radiación solar
Retrodispersión
Absorción
Radiación
detectada por el
sensor
Emisión
Radiación reflejada
especulamente
Dispersión
Radiación
emergente
Trasmisión
retrodispersión
absorción
reemisión
dispersión
Radiación
emitida
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.
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 (510520 nm).
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
Tipos de agua: firmas espectrales
Reflectancias
Reflectancias en
en porcentaje
porcentaje de
de
aguas
aguas con
con algas
algas yy agua
agua clara
clara medido
medido
con
con une
une espectroradiómetro
espectroradiómetro en
en
superficie.
superficie.
Observen
Observen la
la intensa
intensa absorción
absorción por
por
clorofila
clorofila en
en el
el intervalo
intervalo entre
entre 400
400 yy
500
500 nm
nm yy nuevamente
nuevamente en
en la
la zona
zona del
del
rojo
rojo en
en 675
675 nm.
nm.
Reflectancias
Reflectancias en
en porcentaje
porcentaje con
con
distintas
distintas concentraciones
concentraciones de
de algas
algas
yy sedimentos
sedimentos suspendidos
suspendidos de
de 00500mg/l
500mg/l
¿Cómo pasar de la variable propia de teledetección a concentración de clorofila?
Un
Unestimador
estimadorde
delalaconcentración
concentraciónde
declorofila
clorofilaen
engeneral
generales
esun
un
estimador
estimadorde
delalabiomasa
biomasaen
ensuperficie
superficieooproductividad.
productividad.
Numerosos
Numerososestudios
estudiosdocumentan
documentanlalarelación
relaciónentre
entrelas
lasbandas
bandas
espectrales
espectralesyylalaconcentración
concentraciónde
declorofila:
clorofila:
Chl
))]]yy
2
Chl==xx[[L(l
L(l1)/L(l
)/L(l
1
2
Donde
DondeL(l
L(l1)1)yyL(l
L(l22))son
sonlas
lasradiancias
radianciasmedidas
medidaspor
porel
elsensor
sensorremoto
remoto
en
enlongitudes
longitudesde
deonda
ondaseleccionadas
seleccionadasyyxxeeyyconstantes
constantesobtenidas
obtenidas
de
derelaciones
relacionesempíricas.
empíricas.
Los
Losalgoritmos
algoritmosmás
másimportantes,
importantes,utIlizando
utIlizandolas
lasbandas
bandasdel
del
SeaWiFS,
SeaWiFS,incluyen
incluyenel
eluso
usode
delos
loscocientes
cocientesentre
entrebandas
bandas443/355
443/355
nm
nmyy490/555
490/555nm.
nm.
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.
Bandas en el visible: cantidad, ancho y ubicacion
(1)
(2)
(3)
ETM
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)
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?
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…..
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?
Suelos: firmas espectrales
100
90
Espectro de suelo seco
80
Silt
70
60
50
Sand
40
30
20
10
0
0.5 0.7
0.9
1.1
1.3 1.5 1.7 1.9
Wavelength (m)
2.1
2.3
2.5
Característica clave: la reflectancia aumenta con el aumento en la
longitud de onda del visible al infrarrojo medio
Suelos: efecto de la humedad
incident energy
specular
reflectance
 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.
dry
soil
a.
interstitial
air space
incident energy
specular
reflectance
b.
specular reflectance
volume reflectance
soil water
wet
soil
Suelos: efecto de la humedad y de la textura
60
Sand
Sand
Sand
0 – 4% moisture content
 La arcilla retiene más el
agua que la arena.
50
40
30
5 – 12%
20
22 – 32%
10
0
0.5
0.7
0.9
1.1
1.3
1.5
1.7
1.9
2.1
2.3
2.5
a.
60
50
Clay
Clay
Clay
2 – 6%
40
30
20
35 – 40%
10
0
0.5
b.
0.7
0.9
1.1
1.3 1.5 1.7 1.9
Wavelength (m)
2.1
2.3
2.5
 Por lo tanto, el espectro
de arcilla muestra las
bandas de absorción de
agua más
pronunciadamente que la
arena.
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
mas brillantes o 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.
Preguntas
¿Si se quiere discriminar suelos secos de suelos húmedos,
qué bandas utilizaría?
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
400-2500nm.
Vegetación: firmas espectrales
¿Cómo se distribuye la
energía que llega?
 0.4 -0.7 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).
 0.7-1.35 µm, tanto la reflectancia como
la transmitancia son altas, mientras que la
absorbancia es baja. Qué controla?: la
estructura interna de la hoja.
 1.35 – 2.5 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.
Vegetación: firmas espectrales
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?)
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%
Water absorption features:
indicates canopy
water content
40%
30%
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%
Well irrigated cotton
10%
0%
0.35
Red edge position:
indicates canopy
0.85 structure and
1.35
Wavelength (µm)
chlorophyll content
1.85
2.35
Greenberg et al. 2001, healthy and water stressed cotton spectra.
Vegetación: firmas espectrales
Vegetación: firmas espectrales
Vegetación: firmas espectrales
Vegetación: firmas espectrales
Vegetación: firmas espectrales
Vegetación: firmas espectrales
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
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
0.4
very low leaf area
sunlit soil
0.3
0.2
0.1
0.0
400
600
800
1000
1200
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.
Vegetación: firmas espectrales:
Influencia de la posición de las bandas
espectrales en la discriminación firmas
Firma espectral
20
reflectancia (media)
100
Landsat
1
azul
2
verde
3
rojo
4
IrC
bandas
5
IrM
7
IrM
Corrección atmosférica:
efecto de dispersión molecular Rayleigh
Existen varias opciones para el
cálculo de Lp:
A. Cálculo de Lp 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.
Firma espectral TOA Landsat 5 de un terreno
boscoso (negro) y la misma firma corregida
por Rayleigh (rojo)
TOA
Rayleigh
0.25
0.20

0.15
0.10
0.05
0.00
1
2
3
4
# banda espectral
5
6
7
Vegetación: firmas espectrales:
Landsat TM
Espectro-radiómetro
Vegetación
verde
Vegetación menos verde
Vegetación: firmas temporales
Suelo con
rastrojo
Suelo
Firma espectral de una escena
Comportamiento espectral de una escena real. Factores que intervienen
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?