3 - espectro electromagnético

Espectro Electromagnético Departamento de Geomática – IA

FOTOINTERPRETACIÓN

ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO

Departamento de GeomáticaInstituto de AgrimensuraFacultad de Ingeniería

UdelaRTexto elaborado en base al documento “Fotogrametría y Precepción Remota –

Formación de imágenes” del Prof. Ing. Miguel Aguila Sesser – Julio de 2004 - Instituto de Agrimensura – Facultad de Ingeniería – UdelaR.-

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ÍndiceENERGÍA ELECTROMAGNÉTICA..............................................................................................3

INTERACCIÓN CON LOS OBJETOS..........................................................................................5

FIRMA O RESPUESTA ESPECTRAL..........................................................................................6

TRASMISIÓN A TRAVÉS DE LA ATMÓSFERA..........................................................................7

ABSORCIÓN.................................................................................................................................. 8DIFUSIÓN..................................................................................................................................... 9REFRACCIÓN ATMOSFÉRICA...............................................................................................................9

INTERACCIÓN CON EL AGUA.................................................................................................10

ABSORCIÓN................................................................................................................................ 10REFLEXIÓN................................................................................................................................. 12

INTERACCIÓN CON LA MATERIA............................................................................................12

BIBLIOGRAFIA........................................................................................................................... 14

Índice de figurasFigura Nº 1 – Onda electromagnética...........................................................................................3Figura Nº 2 – Espectro electromagnético.....................................................................................3Figura Nº 3 – Onda electromagnética...........................................................................................4Figura Nº 4 – Proceso de Percepción Remota.............................................................................5Figura Nº 5 – Interacción de la radiación con los objetos.............................................................5Figura Nº 6 – Distintas firmas espectrales....................................................................................7Figura Nº 7 – Propagación, absorción y dispersión......................................................................8Figura Nº 8 – Ventanas atmosféricas...........................................................................................8Figura Nº 9 – Efecto de la refracción............................................................................................9Figura Nº 10 – Imagen pancromática e infraroja........................................................................10Figura Nº 11 – Imagen verdadero color de la zona de Valparaiso.............................................11Figura Nº 12 – Imagen falso color de la zona de Valparaiso .....................................................11Figura Nº 13 – Laguna del Diario...............................................................................................12Figura Nº 14 – Reflexión especular y difusa...............................................................................13

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ENERGÍA ELECTROMAGNÉTICA

La energía electromagnética que transporta la información utilizable en el campo de la Percepción Remota, se limita en la práctica a las bandas del espectro visible, infrarrojo y microondas. Aún cuando existen sensores que trabajan en otros rangos del espectro, su uso es limitado.

Uno de los temas fundamentales de la investigación y aplicación en este campo es el saber a distancia cuál es la naturaleza y el estado de la superficie observada y a partir de ello, aún la condición o características no superficiales.

Originalmente la parte del espectro electromagnético que se utilizaba en fotointerpretación era la correspondiente a la luz visible y al infrarrojo cercano ya que solamente para estas bandas existían materiales sensible. En la actualidad y con la aparición de la fotografía digital, el fotointerprete puede acceder a un mayor número de bandas.

Figura Nº 1 – Onda electromagnética

La velocidad de avance de cualquier onda electromagnética es siempre la velocidad de la luz por lo que a medida que la longitud de onda aumenta decrece la frecuencia de forma tal que siempre se cumpla la siguiente ecuación:

C = f x λdonde C es la velocidad de la luz, f la frecuencia y λ la longitud de onda.

Figura Nº 2 – Espectro electromagnético.

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Como puede verse en la figura Nº 2, el espectro visible cubre las longitudes de onda comprendidas entre los 400 y los 700 nm aproximadamente1, correspondiendo la longitud de onda más corta al azul y la más larga al rojo.

Figura Nº 3 – Onda electromagnética.

El infrarrojo tiene una longitud de onda mayor que el rojo y por tanto una frecuencia menor. La radiación infrarroja esta relacionada con el calor o radiación térmica. Cualquier cuerpo a una temperatura mayor a 0° Kelvin (cero absoluto) emite en el infrarrojo y emitirá más energía cuanto más caliente se encuentre. Un objeto puede emitir energía en este rango aunque no lo haga en el espectro visible, por lo que los infrarrojos son usados en los equipos de visión nocturna, donde la radiación emitida se muestra en una pantalla luciendo más luminosos aquellos puntos a mayor temperatura. El infrarrojo se utiliza también en los controles de los televisores ya que estas longitudes de onda no interfieren con las señales de televisión, y también se utilizan para comunicaciones a corta distancia entre, por ejemplo, computadoras y periféricos inalámbricos.

El ultravioleta tiene una longitud de onda menor y una frecuencia mayor que el azul. La luz ultravioleta también es conocida como luz negra. La radiación ultravioleta, al iluminar ciertos materiales, se hace visible debido al fenómeno denominado fluorescencia. Este método es usado comúnmente para autenticar antigüedades y billetes, pues es un método de examen no invasivo y no destructivo. En estructuras metálicas, se suele aplicar líquidos fluorescentes para después iluminarla con una luz negra, y así detectar grietas y otros defectos. Tiene además múltiples aplicaciones en medicina y en ciencia forense aunque no tiene grandes aplicaciones en la percepción remota.

En todo proceso de Percepción Remota, tenemos los siguientes elementos a considerar:• A – Emisor de radiaciones, que en el caso de la Percepción Remota es el Sol,

la Tierra o el propio sensor.• B – Medio por el cual se propaga la radiación.• C – El objeto donde se refleja la radiación.• D – Detector de la radiación de interés.• E – Elemento de transformación de la energía detectada, de forma que sus

variaciones puedan ser medidas y registradas.• F – Procedimientos de análisis de las radiaciones una vez transformadas a

efectos de extraer de aquellas radiaciones la información semántica deseada.

1 Los valores que definen la banda de la luz visible son muy variables y pueden aparecer diversos límites para la misma pero siempre en ese entorno.

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Figura Nº 4 – Proceso de Percepción Remota.

INTERACCIÓN CON LOS OBJETOS

Para cualquier radiación que incide sobre un cuerpo, tenemos:

Figura Nº 5 – Interacción de la radiación con los objetos.

Donde podemos nombrar como:• Ei – Energía incidente sobre la superficie del objeto.• Er – Energía reflejada por la superficie del objeto.• Ea – Energía absorbida por el material del objeto.• Et – Energía trasmitida a través del material del objeto.

Las proporciones de la energía que incide que será reflejada, transmitida o absorbida depende de parámetros característicos de la superficie y material del objeto pudiéndose definir coeficientes para medir estas energías. Los valores de estos coeficientes variaran entre 0 y 1 cumpliéndose la siguiente expresión:

R + A + T = 1

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Espectro Electromagnético Departamento de Geomática – IA• Coeficiente de reflexión o Reflectancia - R = Er/Ei• Coeficiente de trasmisión o Transmitancia – T = Et/Ei• Coeficiente de absorción o Absortancia – A = Ea/Ei

FIRMA O RESPUESTA ESPECTRAL

Como se dijo en el apartado precedente, cuando nombramos a la energía reflejada por la superficie terrestre y cuya fuente sea el sol, estamos hablando de la Reflectancia o coeficiente de reflexión (R), teniendo las consideraciones de que la fuente de energía (sol) es constante y la atmósfera transparente. Para la Percepción Remota esta energía reflejada es el elemento fundamental ya que es la energía que es capturada por los sensores y la que nos brinda información sobre el objeto.

El coeficiente de reflectividad varía en función de la longitud de onda de la energía incidente. Una superficie puede reflejar mucho la luz verde y poco la luz roja o azul, en cuyo caso, al ser iluminada con luz blanca, nos parecerá esencialmente verde. La nieve es blanca (reflectante) en el espectro visible y prácticamente negra (poco reflectante) en el infrarrojo térmico. De la reflectancia de una superficie a la luz azul, verde o roja nace el color de esa superficie. Una superficie blanca refleja por igual estas radiaciones.

Para cada superficie podremos graficar la reflectancia en función de la longitud de onda de la radiación incidente, el resultado de esto es una gráfica característica de cada superficie a la que llamamos firma o respuesta espectral.

Si observamos las firmas o respuestas espectrales que corresponden a la reflectividad media de algún vegetal, observaremos que esa superficie reflejará fundamentalmente la radiación verde y la radiación infrarroja, en tanto será baja su reflectancia en las zonas azul y roja. Obviamente no solo la vegetación tiene comportamiento reflectivo variable, sino también otros cuerpos naturales, como el suelo, en función de su composición y su contenido de humedad.

Resulta lógico pensar que, si es posible explorar en varias longitudes de onda, la reflectancia de una superficie, obteniendo su firma espectral y se dispone de un número suficientemente grande de observaciones que permitan ajustar estadísticamente la misma, podremos reconocer la naturaleza del objeto investigado en función de esta.

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Figura Nº 6 – Distintas firmas espectrales

TRASMISIÓN A TRAVÉS DE LA ATMÓSFERA

En general la atmósfera no contribuye a la observación de la superficie terrestre, actuando como un velo que no puede ser eliminado, limitando las posibilidades del sensor empleado. La propagación de la radiación en el vacío es rectilínea, manteniéndose constante su intensidad.

Si se intercala un medio como la atmósfera (con sus diversas capas y el agua) la propagación se ve alterada. Las alteraciones son las siguientes y varían en función de la longitud de onda:

• ABSORCIÓN.• DIFUSIÓN.• EMISIÓN.• REFRACCIÓN.

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Figura Nº 7 – Propagación, absorción y dispersión

Absorción

La absorción (debida principalmente a la presencia de vapor de agua, ozono y anhídrido carbónico), se comporta como un filtro selectivo, transformando a la atmósfera en un medio opaco para ciertas bandas del espectro. Aquellas bandas que no se ven afectadas por la absorción son las llamadas ventanas atmosféricas, siendo en ellas donde se pueden emplear las técnicas de Percepción Remota.

Figura Nº 8 – Ventanas atmosféricas

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Difusión

La difusión o dispersión se produce principalmente por el choque de la radiación con las moléculas de los gases que conforman la atmósfera, como también con las partículas que se encuentran suspendidas en la misma. Es de acuerdo al tamaño relativo entre las moléculas (t) y la longitud de onda (λ) de la radiación que se tendrán tres tipos de dispersión:

• t menor que λ - Dispersión Rayleigh: Se produce cuando el tamaño de las partículas es muy inferior a la longitud de onda. En ese caso la luz se dispersa en forma inversamente proporcional a la cuarta potencia de la longitud de onda.

• t aproximadamente igual que λ - Dispersión Mie: Se genera por debajo de los 5000 metros de altura y afecta a ciertas longitudes de onda. Por ejemplo el vapor y el humo afectan a las radiaciones entre 100 y 500 nm y el humo industrial las radiaciones entre 500 nm y 50 micrones.

• t mayor que λ - Dispersión no selectiva: al aumentar la dimensión de la partícula, la dispersión deja de depender de la longitud de onda, dando lugar a la reflexión normal.

Estas dispersiones explican varios fenómenos de la naturaleza. Por ejemplo, la luz producida por la dispersión Rayleigh se satura de radiaciones de baja longitud de onda y tiene un color azulado, esto explica el color azul del cielo, que de no existir esta dispersión debería ser negro. Otro fenómeno que se explica por la dispersión es el que ocurre a la salida y a la puesta del sol. En este caso los rayos solares recorren una distancia mayor en la atmósfera, dispersando prácticamente todos los rayos de baja longitud de onda, lo que explica el color rojo o anaranjado de estos.

Refracción atmosférica

La atmósfera es un medio refractante, en el cual el índice de refracción varía con la presión y temperatura. En consecuencia las ondas no se propagan en línea recta.

Figura Nº 9 – Efecto de la refracción

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INTERACCIÓN CON EL AGUA

La propagación de las ondas electromagnéticas es afectada por el agua con fenómenos similares a los de la atmósfera pero con efectos totalmente distintos.

Absorción

La máxima absorción del agua pura corresponde a las radiaciones infrarrojas (por ello el agua aparece negra en una imagen infrarroja) y la mínima al color verde. A medida que aumenta la turbidez, la máxima absorción se mantiene en la banda azul y la mínima en el amarillo-rojo.

Figura Nº 10 – Imagen pancromática e infraroja - La imagen a la izquierda de la pantalla corresponde a una

película pancromática y la derecha a una película infraroja.

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Figura Nº 11 – Imagen verdadero color de la zona de Valparaiso

Figura Nº 12 – Imagen falso color de la zona de Valparaiso

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Reflexión

La superficie de separación entre agua y aire puede comportarse como una superficie de reflexión especular, haciendo que esta pueda aparecer como una mancha blanca.

Figura Nº 13 – Laguna del Diario

INTERACCIÓN CON LA MATERIA

La interacción de las radiaciones con los elementos que forman la superficie, depende de su composición química, características físicas y configuración de su superficie. La más importante es la reflexión. La radiación incidente que no penetra la superficie, es reflejada en una forma que dependerá del tamaño relativo de las rugosidades de la superficie la longitud de onda.

• Reflexión especular - t menor que λ - La radiación es reflejada coplanarmente a la normal en el punto de incidencia, formando un ángulo de reflexión igual al de incidencia.

• Reflexión difusa - t mayor o igual a λ - La radiación es reflejada en forma difusa, en varias direcciones dependiendo de la rugosidad de la superficie.

• Reflexión especular-difusa – En general el terreno produce una combinación de las reflexiones indicadas, por lo que parte de la energía es reflejada en la misma dirección de incidencia, produciendo además un cambio entre la polarización de emisión y la de recepción.

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Figura Nº 14 – Reflexión especular y difusa. Se cumple que el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión en el primero de

los casos.

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BIBLIOGRAFIA

1. Página del Servicio Aerofotogrametrico de la Fuerza aérea de Chile.-

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