Conceptos Generales de Sensores Remotos

Conceptos Generales de
Sensores Remotos
SENSOR REMOTO
Captura datos de la
superficie terrestre sin
necesidad de contacto.
Se transporta en
diferentes plataformas,
satelital, aérea o
terrestre.
A: Fuente de energía, pasiva o activa B: Trayectoria y su interacción con la atmósfera
C: Incidencia en la superficie terrestre D: Satélite E: Ciclo de toma y descarga de
datos F: Estación terrena de preproceso G: Información al usuario
ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO
La energía radiante se mueve a la velocidad de la luz y se propaga con un
patrón armónico ondulatorio
Por otro lado la energía interactúa con la materia comportándose como
partículas individuales o fotones, con propiedades: energía y momento.
•Cuando la luz se refleja o refracta se comporta como onda.
•Cuando un radiómetro mide intensidad de la luz, los fotones (partículas)
producen una señal eléctrica proporcional al número de fotones.
ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO
La naturaleza ondulatoria de la luz se expresa en:
Longitud de onda (λ): distancia entre picos sucesivos; 1µm=1000nm
Frecuencia (v): el número de picos por unidad de tiempo con respecto
a un punto fijo; Hz Hertz o GHz Giga Hertz
Velocidad (c ) : en m/s, la cual es una constante 3x108 m/s
Se relacionan con la siguiente ecuación:
c= λ*v
ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO
La energía de una longitud de onda, modelo fotón, o energía de
radiación se relaciona con la ecuación:
Q=h*v o Q=h*c/ λ
donde h=Constante de Planck, 6.626*10-34 J seg.
De esta relación vemos que la energía de un fotón es inversamente
proporcional a su longitud de onda, esto permite generalizar que a
mayor λ menor es la energía involucrada.
ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO
Visible: (0.4 a 0.7 μm)
Azul: (0.4 a 0.5 μm)
Verde: (0.5 a 0.6 μm)
Rojo: (0.6 a 0.7 μm)
ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO
Infrarrojo cercano: (0.7 a 1.3 μm)
ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO
Infrarrojo medio: (1.3 a 8 μm)
swir: (1.3 a 2.5 μm)
ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO
Infrarrojo térmico: (8 a 14 μm)
PROCEDENCIA DE LA ENERGIA RADIANTE
Todo objeto a temperatura por encima del 0 absoluto (0oK o –273oC)
emite energía. Además del sol, todos los cuerpos son emisores.
La cantidad de energía es función de la temperatura, la ley de Stefan-Boltzmann (SB)
describe esa situación:
W=σ*T4
donde W es el total de energía radiante (watts/m2), σ es la constante de StefanBoltzmann (5.67*10-8 Wm-2K-4).
Es importante tener presente la potencia de la temperatura, la relación de SB es válida
sólo para los denominados cuerpos negros, un cuerpo negro es un material ideal que
absorbe toda la energía incidente. Esto no existe en la realidad, el máximo de
absorción es 1. Para materiales reales la Emisividad es la relación del flujo radiante
del material con respecto al cuerpo negro y depende de λ.
.
PROCEDENCIA DE LA ENERGIA RADIANTE
La temperatura de un objeto
no sólo determina la energía
irradiada, también controla λ
máxima o máximo de energía.
A mayor temperatura mayor
energía radiante, ese
desplazamiento a menores λ
(>v) se conoce como:
Ley de corrimiento de Wien
λ max=A / T(rad), donde
A: constante 2897μm oK
Trad: temperatura radiante en
oK
INTERACCIÓN DE LA ENERGÍA INCIDENTE
Y REFLEJADA O EMITIDA CON LA
ATMÓSFERA
Dispersión y Absorción de la radiación electromagnética realizada por
partículas atmosféricas. La Dispersión Rayleigh tiene influencia en
longitudes de onda corta del visible (azul), se produce por partículas
atmosféricas. La Dispersión Mie es causada por partículas de igual
tamaño a la longitud de onda de la radiación, por ejemplo vapor de agua
y polvo atmosférico.
INFLUENCIA DE LA ATMÓSFERA O
ABSORCIÓN ATMOSFÉRICA EN
DETERMINADAS LONGITUDES DE ONDA
Longitudes de onda menores
0.3µm (UV) son
practicamente absorbidas. El
agua (H2O) e hidroxilo (–HO)
absorben radiación en
determinadas λ las mas
importantes 1.4, 1.9, 3.1 y
6.2µm.
INFLUENCIA DE LA ATMÓSFERA O
ABSORCIÓN ATMOSFÉRICA EN
DETERMINADAS LONGITUDES DE ONDA
Otros gases como CO2 y O3+
también absorben radiación, por
esta razón los sensores remotos se
limitan a las regiones con alta
transmitancia, a esas regiones se las
denomina ventanas atmosféricas
INTERACCIÓN DE LA ENERGÍA INCIDENTE
CON LA SUPERFICIE TERRESTRE
1. Transmisión, a través de
un medio a otro.
2. Absorción, por la materia
y generación de calor.
3. Emisión, de la energía
absorbida.
4. Dispersión, la radiación
es reflejada en todas
direcciones
5. Reflexión, especular para
superficies lisas.En
superficies rugosas
reflectores difusos o
Lambertianos
INTERACCIÓN DE LA ENERGÍA INCIDENTE
CON LA SUPERFICIE TERRESTRE
TIPOS DE SATELITES
Orbita Geoestacionaria
Observan siempre la misma región de la
tierra.
Altura de la órbita: del orden de los 36.000
Km.
Período de la orbita: 24 hs.
Ejemplos: METEOSAT, GEOS.
Orbita Helio-sincrónica
Asegura cobertura total de la superficie
terrestre y las mismas condiciones de
iluminacion solar para la misma zona.
Ejemplos: LANDSAT, SPOT, NOAA,
ASTER
TIPOS DE SATELITES
Nodo Ascendente y Descendente
nodo
descendente
nodo ascendente
SWATH o BARRIDO
Orbita Helio-sincrónica, altitud alrededor de 800km
Para compensar los efectos de la rotación de la Tierra la inclinación de la
órbita del satélite es hacia el oeste. El nodo descendente es siempre sobre
la cara iluminada.
Todas las escenas son observadas a igual hora local.
La iluminación del sol varía con las estaciones debido a la inclinación del
eje terrestre.
Los satélites con módulos termales y radar toman datos tanto en la órbita
descendente como en la ascendente (día y noche).
GLOSARIO
Apogeo:
Punto mas alejado de la Tierra.
Perigeo:
Punto mas cercano a la Tierra.
Inclinación:
Angulo que el satélite forma con el ecuador en
nodo ascendente (ej. 90o significa órbita polar).
Período:
Tiempo en completar una órbita.
SENSORES PASIVOS vs ACTIVOS
• Sensores pasivos
registran
– Luz reflejada
- Emisión termal (TIR)
• Sensores activos poseen
- fuente propia de energia
- pueden operar en la noche
- pueden penetrar nubes
LIDAR, RADAR
SENSORES, TIPOS DE SCANNERS
Cross-track scanners (whiskbroom) MECANICO
ventaja: un sensor por cada banda, facil calibracion
desventaja: el espejo móvil falla, baja resolución.
Ejemplo: LANDSAT (MSS, TM, ETM) y NOAA (AVHRR)
ASTER TIR
Whiskbroom Sensors
• LANDSAT (NASA)
– Thematic Mapper (TM); LANDSAT 4-5
• 7 8-bit bands: 0.45-0.52 μm (blue); 0.52-0.60 μm
(green); 0.63-0.69 μm (red); 0.76-0.90 μm (NIR); 1.551.75 μm (Mid IR); 10.4-12.5 μm (TIR); 2.08-2.35 μm
(Mid IR)
• IFOV 30 x 30m (bands 1-5 and 7), 120 x 120m (band
6); swath width 185 km.
• Images the earth once every 16 days; 1982 to present
– Enhanced Thematic Mapper Plus (ETM+); LANDSAT 6-7
• 8 8-bit bands: bands 1-7 are the same as TM;
additional panchromatic band 8, 0.52-0.90 μm
• IFOV 30 x 30m (bands 1-5 and 7), 60 x 60m (band 6),
15 x 15m (band 8); swath width 185 km.
• Images the earth once every 16 days; 1999 to present
Whiskbroom Sensors
NOAA-AVHRR:
1. 0.58 - 0.68 μm
2. 0.72 - 1.10 μm
3. 3.55 - 3.93 μm
4. 10.5 - 11.5 μm
5. 11.5 - 12.5 μm
Altitude: 830 k
Orbit incl.: 98.9°
Repeat time: 1 day
IFOV: ± 1.1 k
EOS Terra
–ASTER
z
5 TIR
z
90 x 90m (TIR); swath width 60 km.
SENSORES, TIPOS DE SCANNERS
Along-track scanners (pushbroom) ELECTRONICO
ventaja: no hay partes móviles, mayor resolución
desventaja: muchos sensores, dificil calibración
Pushbroom Sensors
SPOT XS and SPOT PAN:
Multi-spectral mode (XS):
1. 0.50 - 0.59 μm
Altitude: 832 k
2. 0.61 - 0.68 μm
Inclination: 98.7°
3. 0.79 - 0.89 μm
Pixelsize:
Panchromatic mode (PAN):
10 m
Pan-mode:
0.51- 0.73 μm
20 m
XS-mode:
Pushbroom Sensors
• EOS Terra
– ASTER
• 14 8-bit (VNIR and SWIR), 12-bit (TIR) bands: 3 VNIR (1
NIR off-nadir); 6 SWIR; 5 TIR
• IFOV 15 x 15m (VNIR), 30 x 30m (SWIR), 90 x 90m (TIR);
swath width 60 km.
– MISR
• 4 VNIR bands at 9 different angles
• IFOV 275 x 275 m to 1.1 x 1.1 km (depending on view
angle); swath width 360 km.
• 9 day global coverage; 1999 to present
Pushbroom Sensors
•
•
•
•
•
•
•
IKONOS (panchromatic and multi-spectral mode):
IKONOS- Panchromatic: Spatial Resolution:
1. 450 – 900 nm 1 by 1 meter
Ikonos XS: 4 by 4 meter
1. 450 – 520 nm (Blue)
2. 520 – 600 nm (Green)
3. 630 –690 nm (Red)
Altitude: 681
km
• 1. 760 – 900 nm (NIR)
Swath: 11 km
Características de las
imágenes satelitales
Las principales características de las imágenes satelitales son:
• Resolución espacial
• Resolución espectral
• Resolución radiométrica
• Resolución temporal
La elección del tipo de imagen a utilizar estará
condicionada al tipo de estudio a realizar
Características de las
imágenes satelitales
Resolución espacial
Medida de la separación angular o lineal mas pequeña
entre dos objetos que pueda ser resuelta por el sensor.
Determinado por:
D = H’*IFOV
IFOV: Instantaneous Field Of View
Detector
Objective
H’
Cone of light
D
H’: Altura de la órbita
Angle = IFOV
La Altura de la órbita y el IFOV son constantes, de manera
que la resolución espacial no varía.
Características de las
imágenes satelitales
Resolución espacial
Tamaño del píxel en el terreno.
1.1 Km.. NOAA (AVHRR)
5 Km.. Meteosat (VISSR)
30 m. ERS (AMI)
10 m. Spot (HRV pan)
15 m. Landsat 7 (ETM pan)
0.82 m. Ikonos
15/30/90 m. ASTER
Características de las
imágenes satelitales
Resolución espacial
Regla general: la resolución
espacial debe ser menor a la
mitad de tamaño del objeto de
interés mas pequeño.
Características de las
imágenes satelitales
Resolución espectral
Número, λ y ancho de las bandas espectrales que contiene un
sensor.
Banda: es una región del espectro electromagnético en la que
los detectores captan información.
SPOT 3 bandas
NOAA 5 bandas
Landsat 7 bandas
Orbview >200 bandas
ASTER 14 bandas
Características de las
imágenes satelitales
Resolución espectral
Características de las
imágenes satelitales
Resolución espectral
ASTER
Características de las
imágenes satelitales
Resolución radiométrica
Indica la capacidad del sensor para discriminar niveles de
radiancia.
11 bits (2048) Ikonos
7 bits (128) Landsat (MSS)
10 bits (1024) NOAA
8 bits (256) Landsat TM
8 bits (256) ASTER VNIR / SWIR
12 bits (4096) ASTER TIR
Características de las
imágenes satelitales
Resolución temporal
Define la frecuencia con que un satélite puede obtener
imágenes de un área en particular
Meteosat: 30 minutos
LANDSAT: 16 días.
NOAA: 12 horas
ASTER: 16 días
Resolución espacial: LANDSAT vs. ASTER
Imagen landsat 7 ETM, bandas 4,3,2
(R,G,B) Resolución espacial: 30 mts.
Imagen ASTER, bandas 3,2,1 (R,G,B)
Resolución espacial: 15 mts.
DN (DIGITAL NUMBER)
Digital Number (DN)
70
53
41
64
84
85
81
88
91
79
77
45
38
59
77
84
86
85
80
82
69
44
32
45
72
86
82
88
79
86
87
65
40
41
75
79
93
86
93
106
106
84
56
43
58
104
104
100
101
95
91
83
51
39
105
110
97
88
84
85
87
77
59
96
103
89
79
79
75
77
79
74
87
93
97
90
82
76
70
67
61
79
81
88
97
93
85
78
74
70
81
75
78
85
94
97
92
84
80
8
El rango de valores
va a depender de la
resolución
radiométrica de la
imágen.
7
8
5
7
8
7
8
7
5
5
6
4
Mas típico 28 = 256
niveles
4
7
2
7
1
7
2
7
2
REALCE RADIOMÉTRICO
Original
Contraste
lineal
COMPOSICION COLOR DE BANDAS
Se asignan las bandas a los canales del Rojo, Verde y Azul.
Deben tener la misma resolución espacial.
BANDAS 5,3,1 (R,G,B)
Significado de los colores
R
Y
M
W
G
B
C
B3
B2
B1
Cian
B
A
A
Amarillo
A
Magenta
A
A
B
B
A
RGB 3,2,1
OPERACIONES ARITMETICAS
• Adición: Indices.
• Sustracción: Indices, detección de cambios.
• División (Ratios): Indices, cociente de bandas.
• Multiplicación: Indices.
Mosaico de imagen
ASTER combinacion
De cocientes de bandas
(4/5)/(3/2),/4/6)/(3/2),(4/7)/(3/2)
(R,G,B)
Mosaico de imagen
ASTER combinacion
de bandas 5,3,1 (R,G,B)
Mosaico de imagen
ASTER combinacion
De cocientes de bandas
(4/5)/(3/2),/4/6)/(3/2),(4/7)/(3/2)
(R,G,B)
R G B 3 2 1
Cociente 3/2
NVDI
(banda 3 –banda 2 /
(banda 3 + banda 2)
ASTER 3,2,1
cociente 2/1