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?