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INTRODUCCIÓN A LA TELEDETECCIÓN CUANTITATIVA

Haydee Karszenbaum – Veronica Barrazzahaydeek@iafe.uba.arvbarraza@iafe.uba.ar

Teledetección cuantitativa

Clase 1.4: radiometria

Geometrías de iluminación/observaciónEl sol como fuente de energía, Transmisión de la radiación solar a través de la atmósfera, y su interaccion Interacción de la radiación solar con la superficie, Transmisión de la radiación solar reflejada en la direccióndel sensor, Intercepción de la radiación por el sensor y Análisis/desarrollo de una aplicación.

Qué es teledetección?: “sistema”

Este proceso es un “sistema”con una entrada (energía solar) y una salida (información).

Cada componente del sistema modifica y/o agrega a la señal inicial.

Cada componente tiene su propia función de transferencia (TF).Si bien es un concepto asociado a la teoría de procesamiento de imágenes y de señales, la idea es que la atmósfera, la superficie terrestre, y la electrónica (el sensor) modulan el flujo de energía a través del sistema.

Podemos entonces hablar de una función de transferencia de la atmósfera, de la superficie y de los instrumentos.

Conocer los efectos de los cambios en la posición del sol(ángulos cenitales y acimutales), el tamaño de las sombras, y su dirección y la cantidad de energía que llega a cada superficie en particular.

El sol

La atmósfera modula la energía solar entrante a través de procesos de absorción y dispersión que se producen antes de que la energía interactúe con la superficie terrestre.

La atmósfera

La interacción de la energía solar con los materiales de la superficie también podría ser vista como una modulación. Múltiples factores contribuyen a esta modulación, en particular en vegetación.

La superficie

La energía solar después de interactuar con la superficie terrestre, nuevamente es reflejada por la atmósfera. Otra vez la señal es modulada ya que la radiación es absorbida y dispersada por los componentes atmosféricos. En este caso, el resultado es el agregado de la señal atmosférica (bruma por ejemplo) a la información que salió de la superficie.

La atmósfera nuevamente

El sistema con su óptica, detectors y elctrónica convierte energía de una forma en otra. Los sensores convierten la energía radiante en energía eléctrica. La salida del sensor es un voltaje.

El sistema (satélite-sensor)

El proceso de teledetección

La modulación de la energía del sol, esto es, la atmósfera, el blanco y el sistema electro-óptico es un proceso.

Una medida radiométrica expresada como un pixel puede verse como la suma de la información deseada más ruido.

Un objetivo importante es emplear técnicas que produzcan un sistema de alta fidelidad: herramientas que reproduzcan la información deseada de la mejor manera posible.

Principio de conservación de la energíaPrincipio de conservación de la energía

Interacción de la radiación em con la materia: magnitudes

¿Cómo se distribuye la energía que llega del sol?

tari EEEE i

r

EE

i

a

EE

i

t

EE

: es la relación entre la energía reflejada por la superficie y la energía incidente sobre la superficie

: es la relación entre la energía absorbida por la superficie y la energía incidente sobre la superficie

: es la relación entre la energía transmitida por la superficie y la energía incidente sobre la superficie

Interacción de la radiación em con la materia: magnitudes

Reflectancia: magnitud física en las bandas ópticas

factores queintervienen

E (W m -2 μm-1)

L (W m -2 μm-1 sr -1)

Magnitudes físicas: irradiancia (sol) y radiancia (blanco)

Irradiancia solar hemisférica

Radiancia direccional

Radiancia : geometría de observación

θ = ángulo cenital del sensorΦ = ángulo acimutal del sensordω = diferencial de ángulo sólido

• Radiancia es la energia porunidad de angulo solido medida(para una determinada longitudde onda)

• W/m2/sr/µm

Magnitudes físicas: irradiancia y radiancia

Reflectancia espectral: magnitud clave en teledetección óptica!!!!!!

Interacción de la radiación em con la materia:

100)()(

i

r

EE

magnitud que se mide en teledetección óptica

cos1...

0

2

EdLTOA

Píxel

E

M

Reflectancias: parámetros que intervienen

Características de la cobertura: tipo de reflectorLambertiano (distribución isotrópica de la radiancia del blanco), sino es isotrópico, se clacula el BDRF (bidireccional reflectancefactor)

IKONOS

BiasDNGainL

Obtención de radiancias : comparación entre TM e IKONOS

TM /ETM

LMINQQ

LMINLMAXL calcalMAX

Correcciones radiométricas: Obtención de las radiancias medidaspor el sensor

L = Radiancia espectral en el sensor [W m-2 sr-1 m-1]

QcalMIN = Valor mínimo del pixel en contaje min(Qcal)

LMIN = Radiancia espectral escalada a QcalMIN [W m-2 sr-1 m-1]

LMAX = Radiancia espectral escalada a QcalMAX [W m-2 sr-1 m-1]

BiasDNGainL

Características

Características

Conatjes digitales y radiancias

Reflectancia: factores que intervienen

RadiaciRadiacióónn emem y la y la atmatmóósferasfera: gases : gases queque absorbenabsorben

Jensen, 2000, 2006Jensen, 2000, 2006

Región visible – En la ausencia de nubes, la región visible se caracteriza por la transparencia de la atmósfera o ventanas. Los procesos de scattering Rayleigh por gases y Mie por aerosoles constituyen los procesos dominantes.

Región infrarroja – Los sistemas pasivos en la región de 0.70 a 4 µm miden predominantemente radiación solar reflejada durante el día, mientras que la zona de 4 a 22 µm está dominada por emisión térmica. La absorpción molecular es significativa. La dispersión Rayleigh es despreciable con respecto a la dispersión Mie.

Resumen

visible infarrojo

Efecto atmosférico

1) atenúa, reduce la energía que ilumina el objeto y la que se refleja del objeto (absorción).

2) actúa también como un reflector, agregando una radianciaatmosférica (dispersión, pathradiance).

Los modelos sencillos de corrección atmosférica asumen lo siguiente:

- interacciones simples y no múltiples.- la contribución de la atmósfera como reflector(path radiance) se añade a la del blanco.

- la atmósfera como atenuador se expresa mediante un factor multiplicativo

Estrategias sencillas para la corrección atmosférica

Por lo tanto L sensor = Lblanco T + Lp

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)

1 2 3 4 5 6 70.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

TOARayleigh

# banda espectral

Corrección atmosférica: efecto de dispersión molecular Rayleigh

)cos

exp(,sol

rSongsolT

Según el método de Song el L1% se calcula como:

Una vez obtenido el valor de L1% y estimado el valor de Lmin, es posible calcular Lp y la radiancia en superficie. En la figura, se observa la misma firma de bosque corregida por Song, así como las firmas anteriores.

τr = 0,008569 * λ -4 * (1+ 0,0113 * λ -2 + 0,00013 * λ -4)

donde λ es la longitud de onda central en micrones de cada banda.

donde Tsol, Song es:

2%1 ).).90cos((

%1d

ETElevSL solSongsolSURF

Figura 3. Firma espectral Landsat 5 de un terreno boscoso. Se observa la firma a tope de atmósfera (TOA) (negro), la firma corregida por Rayleigh (verde) y la firma corregida por Song (rojo).

1 2 3 4 5 6 70.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

# banda espectral

ABC

CorrecciCorreccióón atmosfn atmosféérica: SONGrica: SONG

obtención de las radiancias medidas por el sensor a partir de los contajes digitales (DN)

correcciones atmosféricas: obtención de radiancias de superficie

cálculo de reflectancias: magnitud física de interés

Correcciones radiométricas

Preguntas

¿Qué unidades y qué valores toma la radiancia?

¿Qué unidades y que valores toma la reflectancia?

Compare las unidades de los coeficientesde calibración de distintos sistemas

Preguntas

¿Para qué se usan los coeficientes de calibración?

¿Qué efecto tiene sino se calibrase?

¿Puedo comparar datos de distintos sistemas sino calibro?