TEMA II PRINCIPIOS FÍSICOS DE LA TELEDETECCIÓN

Teledetección: capacidad de obtener información de un objeto o fenómeno sin mantener contacto físico con él.

•Reflexión •Emisión •Reflexión-Emisión

LA RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA - Teoría Ondulatoria (Huygengs, Maxwell)

c = 3 × 108 m/s c =λ λ×F

λ = Longitud de Onda F = Frecuencia

- Teoría Cuántica (Planck, Einstein)

Q=h× F

Q = energía de un fotón h = 6.6 × 10 -34 J × s F = Frecuencia

RELACIÓN ENTRE TEORIAS:

Q = h × c/λ λ

EL ESPECTRO ELECTRO-MAGNÉTICO Definición: sucesión continua de valores de longitudes de onda. Bandas: longitudes de onda del espectro donde las la radiación electromagnética manifiesta un comportamiento similar.

BANDAS DE INTERÉS EN TELEDETECCIÓN Azul: 0.4-0.5 µm • Luz Visible: 0.4 a 0.7 µm

Verde: 0.5-0.6 µm Rojo: 0.6-0.7 µm

• Infrarrojo Cercano: 0.7-1.3 µ m • Infrarrojo Medio: 1.3-8 µ m • Infrarrojo Lejano o Térmico: 8-14 µ m

• Microondas: a partir de 1 mm

PRINCIPIOS Y LEYES DE LA RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA - Todos los cuerpos con Tª superior a 0ºC emiten radiación electromagnética. - Cuerpo Negro: emisor y receptor de energía perfecto. Leyes: - Ley de Planck - Ley de desplazamiento de Wien - Ley de Stefan- Boltzman

LEY DE PLANCK La densidad de energía radiante del cuerpo negro para una determinada λ a una Tª depende de estos parámetros, según:

M= Emitancia Energía radiada en todas direcciones desde una unidad de área (W/m2)

Cualquier cuerpo por encima del cero absoluto radia energía, y que ésta se incrementa con la temperatura

LEY DE DESPLAZAMIENTO DE WIEN A medida que la Tª absoluta de un cuerpo cambia, la longitud de onda dominante se desplaza según la expresión:

Selección de la banda más conveniente para estudiar un fenómeno

LEY DE STEFAN- BOLTZMAN La cantidad total de energía emitida (M) por un cuerpo negro sigue la ley:

Mn es la emitancia.

σ es la cte de Stefan- Boltzman (5.6697× 10-8 W/m2 ºK4). T es la temperatura en Kelvin.

INTERACCIÓN DE LA ATMÓSFERA CON LA RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA.

340 W/m2

173 W/m2

- Absorción - Dispersión - Emisión

INTERACCIÓN DE LA ATMÓSFERA CON LA RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA. Absorción: (65 W/m2 ) Filtro selectivo. O2

ultravioleta < 0.1 µ m, sectores del infrarrojo térmico y del microondas.

O3

ultravioleta < 0.3 µ m y un sector de microondas (27 mm).

Vapor de agua

fuerte absorción en torno a 6mm y menor entre 0.6 y 0.2 µ m.

Anhídrido Carbónico

infrarrojo medio entre 2.5 y 4.5 µ m.

Ventanas atmosféricas • Visible + Infrarrojo • Infrarrojo Medio • Infrarrojo Térmico • Microondas

INTERACCIÓN DE LA ATMÓSFERA CON LA RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA. Dispersión: Se produce al reflejarse o refractarse la radiación por las partículas de la atmósfera. Difícil de cuantificar. Mayor cuanto menor sea la longitud de onda. Tipos: Dispersión Rayleigh Dispersión Mile Dispersión No Selectiva Emisión: Infrarrojo térmico

CARACTERÍSTICAS DE LA RADIACIÓN ENERGÉTICA EN EL ESPECTRO ÓPTICO Principal fuente de energía radiante = SOL 6000ºK

Wien

λmax = 0.45 µm

Características:

φi = φr + φa + φt

CARACTERÍSTICAS DE LA RADIACIÓN ENERGÉTICA EN EL ESPECTRO ÓPTICO

Rugosidad menor que la longitud de onda Rugosidad mayor que la longitud de onda

Reflexión Especular

reflector especular reflexión en todas direcciones

Reflexión Lambertiana

CARACTERÍSTICAS DE LA RADIACIÓN ENERGÉTICA EN EL ESPECTRO ÓPTICO φi = φr + φa + φt Reflectividad:

φr ρ= φ i

Absortividad:

φa α= φ i

φt Transmisividad: τ = φ i

ρ+α+τ = 1

CARACTERÍSTICAS DE LA RADIACIÓN ENERGÉTICA EN EL ESPECTRO ÓPTICO La energía recibida por el sensor depende de: • Reflectividad • Condiciones atmosféricas. • Emplazamiento • Geometría de la observación. Magnitudes habituales en teledetección: • Energía Radiante (Q): energía radiada en todas direcciones (J). • Flujo Radiante (φ φ ) : energía radiada en todas direcciones por unidad de tiempo (W). • Emitancia (M): energía radiada en todas direcciones desde la unidad de área y por unidad de tiempo (W/m2) • Emisividad (εε): relación entre M y la del cuerpo negro Mn. • Reflectividad (ρ ρ ): relación entre el flujo incidente y el reflejado por una superficie. •Radianza (L): total de energía radiada en una dirección por unidad de área y por ángulo sólido de medida (W/m2 sr)

CURVAS DE REFLECTIVIDAD ESPECTRAL: SIGNATURAS ESPECTRALES

COMPORTAMIENTO ESPECTRAL DE LA VEGETACIÓN EN EL DOMINIO ÓPTICO

ØCaracterísticas de la hoja: estado fenológico, forma y contenido de humedad

Ø Características morfológicas de la planta: altura, perfil, grado de cobertura del suelo, etc.

Ø Situación geográfica de la planta: pendiente, orientación, geometría de plantación

Curva característica de la hoja

%

Reflectividad

COMPORTAMIENTO ESPECTRAL DE LA VEGETACIÓN EN EL DOMINIO ÓPTICO

COMPORTAMIENTO ESPECTRAL DE LA VEGETACIÓN EN EL DOMINIO ÓPTICO Reflectividad de algunas especies mediterráneas

COMPORTAMIENTO ESPECTRAL DEL SUELO EN EL DOMINIO ÓPTICO

COMPORTAMIENTO ESPECTRAL DEL SUELO EN EL DOMINIO ÓPTICO Factores en la reflectividad del suelo Ø Minerales en el suelo (cuarzo, feldespatos, silicatos). Ø Materia orgánica. Ø Contenido de aire y de agua. Ø Textura y estructura. Ø Disposición vertical y horizontal. Ø Angulos de observación e iluminación.

Reflectance (%)

Comparación de reflectancia entre suelo y pasto 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 400

500

600

700

800

900

Wavelength (nm) Soil only

Soil with Grass

Grass only

1000

COMPORTAMIENTO ESPECTRAL DEL AGUA EN EL DOMINIO ÓPTICO Factores en la reflectividad del agua Ø Contenido de clorofila: è Absorción en el visible (↓ R ↑ R) è Reflexión en el IRC. Ø Materiales en suspensión. Ø Rugosidad superficial. Ø Profundidad

COMPORTAMIENTO ESPECTRAL DEL AGUA EN EL DOMINIO ÓPTICO

Factores en la reflectividad de la nieve Ø Compactación. Ø Grado de mezcla con suelo. Ø Tamaño de los cristales. Ø Absorción en el IRM (contraste con las nubes).

Nieve fresca > Nieve vieja > Hielo > Nieve sucia

COMPORTAMIENTO ESPECTRAL DEL AGUA EN EL DOMINIO ÓPTICO Reflectividad de la nieve

(Hall y Martinec, 1985)

Imagen de Almería en el espectro visible

EL DOMINIO DEL INFRARROJO TÉRMICO Características: λ = 8 - 14 µ m, Tª ≈ 300ºK Infrarrojo térmico Ø La temperatura radiativa es el parámetro clave: è La

energía emitida depende de la absorbida en otras

longitudes de onda. En el térmico: 1 =ρ + ε (ley de Kirchoff). è

Temperatura = f (Radiancia en el sensor, longitud de onda,

emisión atmosférica, emisividad de la cubierta). Ø Factores de interés è

Inercia térmica

è

Relaciones temperatura y ET

è

Efectos sobre el clima

Emisividades

Salisbury y D’Aria, 1994

Temperatura de superficie, TS

Parámetros térmicos Ø Capacidad térmica: almacenamiento calor (calor específico, c). Ø Conductividad (k): ritmo de transmisión. Ø Difusividad (K): cambio Tp en el interior. Ø Inercia térmica (P): resistencia a cambiar: P = Dck Ø Indice de calentamiento: intensidad.

Inercia térmica

COMPORTAMIENTO ESPECTRAL DE LA VEGETACIÓN EN EL INFRARROJO TÉRMICO Factores que afectan a la emisividad Ø Absorción durante el día, re -emisión noche. Ø Inercia térmica alta. Ø Evapo-Transpiración. Ø Extensión y Densidad

COMPORTAMIENTO ESPECTRAL DEL SUELO EN EL INFRARROJO TÉRMICO

Suelos Ø A mayor humedad, mayor inercia térmica. Ø A mayor materia orgánica, menor inercia térmica. Ø La emisividad es muy dependiente de la roca madre.

COMPORTAMIENTO ESPECTRAL DEL AGUA EN EL INFRARROJO TÉRMICO

Agua Ø La mayor inercia térmica Ø Indica origen de la masa, desplazamiento (corrientes

oceánicas), bancos de pesca. Ø Efecto sobre el clima.

Temperatura promedio del mar

Datos AVHRR

IMAGEN TOMADA CON INFRARROJO CERCANO Colores Resultantes

Comparación de imágenes tomadas en el espectro visible e infrarrojo

Visible

Infrarrojo

EL DOMINIO DE LAS MICROONDAS Características: Ø λ ≥ 1 mm Ø Independientes de las condiciones de iluminación y las

condiciones atmosféricas. Ø Muy dependientes del ángulo de incidencia y de la polarización

y frecuencia a la que se trabaje.

Tipos: Ø Pasivos

Radiómetros de microondas

Ø Activos

Radar

DISPERSIÓN DE LA SEÑAL DEL RADAR

Suelo Vegetación Agua

Dispersión a la atmósfera Dispersión dentro del objeto Dispersión especular

Coef. De Retro-difusión

FACTORES QUE AFECTAN A LA DISPERSIÓN DE LAS MICROONDAS Ø Propiedades de la cubierta:

•Rugosidad de la superficie •Forma del terreno. •Propiedades dieléctricas (agua) Ø Parámetros de observación:

•Banda empleada •Polarización (semejante o cruzada) •Ángulo de incidencia

COMPORTAMIENTO ESPECTRAL DE LA VEGETACIÓN EN LA REGIÓN DE LAS MICRO-ONDAS. Rugosidad Elemento fundamental f(tamaño, forma, orientación y número de hojas) Cte dieléctrica Muy alta Bastante cte para todo tipo de vegetación Aumenta con la humedad Humedad del suelo y Polarización Profundidad de penetración mayor con suelos secos y señales de polarización semejantes.

COMPORTAMIENTO ESPECTRAL DEL SUELO EN LA REGIÓN DE LAS MICRO-ONDAS.

Suelos secos y rugosos

Mayor Coef Retro-difusión

Tonos Claros

Suelos secos y λ larga

Penetración hasta varios metros

Núcleos de población y λ larga

Tonos Claros

COMPORTAMIENTO ESPECTRAL DEL AGUA EN LA REGIÓN DE LAS MICRO-ONDAS.

Angulo incidencia bajo y λ larga

Cierta penetración

Comportamiento especular del agua Cierta rugosidad y ángulo incidencia

Imagen

Imagen Radar

Los Angeles

Resumen de la visión de una imagen radar

FIN

Región de las microondas

RUGOSIDAD Y LONGITUD DE ONDA

Lisa

ÁNGULO DE INCIDENCIA

A mayor ángulo menor pulso de retorno

IMAGEN RADAR

Reflectividad del Municipio de La Virginia (Colombia) a las señales de microondas. La imagen modo estándar RADARSAT destaca el casco urbano, el puente, las casas al borde las carreteras de acceso y otras infrastructuras.

TIPOS DE POLARIZACIÓN

•Semejante

H = Polarización Horizontal V = Polarización Vertical

•Cruzada

COMPORTAMIENTO ESPECTRAL DEL SUELO EN EL DOMINIO ÓPTICO Reflectividad y materia orgánica

a) Mínima descomposición; b) Descomposición parcial; c) Descomposición completa (máxima materia orgánica). Stoner y Baumgardner (1981)

COMPORTAMIENTO ESPECTRAL DEL SUELO EN EL DOMINIO ÓPTICO Reflectividad y humedad del suelo

COMPORTAMIENTO ESPECTRAL DEL AGUA EN EL DOMINIO ÓPTICO Reflectividad del agua y clorofila

COMPORTAMIENTO ESPECTRAL DEL AGUA EN EL DOMINIO ÓPTICO

Clorofila estimada para Sept. 97: Seawifs

COMPORTAMIENTO ESPECTRAL DEL AGUA EN EL DOMINIO ÓPTICO Eutrofización de lagos

1/II/1973 1/I/1979 12/I/1989 LagoTurkana, Kenia. National Geographic, 1998

COMPORTAMIENTO ESPECTRAL DEL AGUA EN EL DOMINIO ÓPTICO Contaminación de playas

Proximidades de Venecia. Efluentes de algas en áreas contaminadas por nitratos. Sheffield, 1978

COMPORTAMIENTO ESPECTRAL DEL AGUA EN EL DOMINIO ÓPTICO Comportamiento de la nieve según el tamaño de los cristales

COMPORTAMIENTO ESPECTRAL DEL AGUA EN EL DOMINIO ÓPTICO Diferencia nieve-nubes

Imagen LandsatTM del volcán Cotopaxi (Ecuador)

COMPORTAMIENTO ESPECTRAL DE LA VEGETACIÓN EN EL DOMINIO ÓPTICO

Reflectancia común de la energía solar en plantas de maíz saludables.

Reflectancia de la luz solar en plantas de maíz estresadas.

Respuesta espectral de la vegetación sana y enferma

COMPORTAMIENTO ESPECTRAL DE LA VEGETACIÓN EN EL DOMINIO ÓPTICO

Estructura celular interna de la hoja.

COMPORTAMIENTO ESPECTRAL DE LA VEGETACIÓN EN EL DOMINIO ÓPTICO Factores: Humedad de la hoja

Reflectancia de hojas verdes y hojas secas de Brachypodium pinnatum L.

Factores en la ET Ø Fisiología de la planta.

•Resistencia estomatal. •Resistencia aerodinámica. Ø Humedad atmosférica. Ø Temperatura del aire. Ø Viento. Ø Humedad disponible en el suelo.

Penetración de las microondas en las nubes

Penetración en suelo de la señal microondas