examen-1-percepcion

Percepcion Remota

M.C. Miguel Armando Lopez [email protected]

Universidad Autonoma de SinaloaFacultad de Ciencias de la Tierra y el Espacio

Miguel Armando Lopez Beltran (UAS) Percepcion Remota 1 / 60

Indice I

1 Antecedentes

2 Definiciones en Percepcion Remota

3 Principales aplicaciones

4 Fundamentos fısicosMagnitudesEspectro electromagneticoInteracciones de la atmosfera con el EE

AbsorcionDispersionEmision

Interaccion energetica de los objetos superficialesFirmas espectrales

VegetacionSueloNieveAguaInfraestructura


Definicion de Percepcion Remota

Ciencia multidisciplinar de adquisicion de la imagenes electronicas y analogicay aprovechamiento de las mismas, que incluye la fotografıa aerea y suinterpretacion.

Ciencia y arte de obtener informacion de un objeto analizando los datosadqueridos mediante un dispositivo que no esta en contacto en dicho objeto.

Tecnica a traves de la cual se obtiene informacion de un objeto sin tenercontacto directo con el, esto es posible gracias a la relacion sensor-cobertura.

Tecnica que permite elaborar levantamientos en altos volumenes deinformacion de la superficie terrestre que sirve de apoyo a diversas ciencias.

La percepcion remota es un conjunto de tecnicas que permiten obtenerinformacion a distancia de los objetos, pero para que esta observacion seaposible, es importante que entre los objetos y el sensor exista un tipo deinteraccion.


Resoluciones: conceptos de medicion

Resolucion espacial

Variacion en la escala y tamano.

Resolucion espectral

Variacion en la radiaccion espectral.

Resolucion temporal

Variacion en el tiempo.

Resolucion radiometricasensibilidad que tiene el sensor de detectar variaciones de la radiancia que recibe.


Principales aplicaciones de percepcion remota

¿Cuales pueden ser las aplicaciones de la percepcion remota?


Fundamentos fısicos de la percepcion remota


Fundamentos fısicos I

La percepcion remota es un conjunto de tecnicas que permiten obtenerinformacion a distancia de los objetos, pero para que esta observacion sea posible,es importante que entre los objetos y el sensor exista un tipo de interaccion.


Fundamentos fısicos II

Dispone de tres elementos principales de cualquier sistema: sensor, objetoobservado y el flujo energetico que los pone en relacion. Sin embargo, lapercepcion remota esta constituida de los siguientes elementos:


Fundamentos fısicos III

1 Fuente de energıa: Origen de la radiacion electromagnetica que dtecta elsensor.

2 Cubierta terrestre: Formadas por distintas masas de vegetacion, suelos, aguao construcciones humanas, que reciben la senal energetica procedente de lafuente de energıa y la reflejan o emiten de acuerdo a sus caracterısticas fısicas.

3 Sistema sensor : Compuesto por el sensor y la plataforma.

4 Sistema de recepcion-comercializacion: Es donde se recibe todos los datostransmitidos por la plataforma.

5 Interprete: Convierte esos datos en informacion tematica de interes.

6 Usuario final : Encargado de analizar el documento final originado de lainterpretacion.


Fundamentos fısicos IV


Fundamentos fısicos V

El sol es la principal fuente de energıa, esta energıa interactua con los objetos enla superficie terrestres en formas:

Reflexion: La reflexion es descrita como especular o difusa.I Reflexion Especular: Se presenta cuando la energıa que es reflejada por la

superficie, continua viajando en una direccion y el angulo de reflexion es igualal angulo de incidencia.

I Reflexion Difusa: La energıa reflejada es esparcida a todas direcciones.


Fundamentos fısicos VI

Emision.

Absorbida.

Transmitida.


Fundamentos fısicos VII

Magnitudes de energıa:

Magnitudes absolutas.

Magnitudes relativas (adimencionales).


Fundamentos fısicos VIII

Magnitudes absolutas:

Energıa radiante (%): Indica el total de energıa radiada en todas lasdirecciones y se mide en Julios (J).

Flujo radiante (φ): Total de energıa radiada en todas las direcciones porunidad de tiempo y se mide en Vatios (W ).

Emitancia o excitancia radiante (M): Total de energıa radiada en todas lasdirecciones desde una unidad de area y por unidad de tiempo, se mide envatios por metro cuadrado (W m−2).

Irradancia (E ): Total de energıa radiada sobre una unidad de area y porunidad de tiempo. Es equivalente a la emitancia, si bien esta indica la energıaemitida, mientras la irradiancia refiere a la incidente (W m−2).

Intensidad radiante (I ): Total de energıa radiada por unidad de tiempo y porangulo solido (Ω), se trata de un angulo tridimensional, que refiere a laseccion completa de la energıa transmitida y se mide en estereo-radianes, porlo tanto la intensidad radiante se mide en vatios por estereo-radian (W sr−1).


Fundamentos fısicos IX

Radiancia (L): Total de energıa radiada en una determinada direccion porunidad de area y por angulo solido de medida. Describe precisamente lo quemide el sensor y se cuantifica en vatios por metro cuadrado y estereoradıan(W m−2 sr−1).

Radiancia espectral (Lλ): Indica el total de energıa radiada en unadeterminada longitud de onda por unidad de area y por angulo solido demedida.


Fundamentos fısicos X

Magnitudes relativas (adimensionales)

Emisividad (ε): Relacion entre la emitancia de una superficie (M), y la queofrecerıa un emisor perfecto, denominado cuerpo negro, a la mismatemperatura (Mn).

Reflectividad (ρ): Relacion entre el flujo incidente y el que absorbe unasuperficie.

Transmisividad (τ): Relacion entre el flujo incidente y el transmitido por unasuperficie.

Absortividad (α): Relacipon entre el flujo indecente y el que absorbe lasuperficie.


Fundamentos fısicos XI

Flujo energetico

El flujo energetico entre la cubierta terrestre y el sensor constituye una formade radiacion electromagnetica.

La radiacion electromagnetica es una forma de energıa que puede serunicamente observada por su interaccion con la materia, esta compuesta porlos componentes electricos y magneticos y es afectada por las propiedadeselectricas y magneticas de la materia con la cual entra en contacto , es decir,la energıa electromagnetica viaja a traves del espacio como onda a lavelocidad de la luz (299’792,458 m s−1), la onda consiste en un campomagnetico y uno electrico, que son perpendiculares el uno al otro y a ladireccion de la propagacion de la onda.


Fundamentos fısicos XII

Esta onda se describe en terminos de longitud de onda (λ) y se relacionacomo :

λf = c (1)

Donde:I c representa la velocidad de la luz.I f la frecuencia.I λ longitud de onda.


Fundamentos fısicos XIII

Longitud de onda: Es la distancia entre dos maximos consecutivos de la onda;se mide en unidades de distancia (metros (m), o cualquier de sussubmultiplos: Angstrom [1 A = 10−10 m]).

Frecuencia: Numero maximo que pasan por un punto en un tiempodeterminado; las unidades de medida son en hercios (Hz), por lo tanto un Hzequivale a un ciclo por segundo.

Amplitud : Es la distancia que hay entre un punto de reflexion de la onda y elmaximo.


Fundamentos fısicos XIV


Fundamentos fısicos XV

Teorıas:Las propiedades de la radiacion electromagnetica estan basados en dos teorıas: Lateorıa de Huygens y Maxwell concibe como un haz ondulatorio (Teorıa de laonda), por otro lado la teorıa de Planck y Einstein consideran como unasucesion de unidades discretas de energıa, fotones o cuantos, con masa igual acero (Teorıa de partıculas).


Fundamentos fısicos XVI

Exposicion alumnos


Espectro electromagnetico I

A partir de las teorıas anteriores (Teorıa de la ondas y de partıculas) sededuce la descripcion de cualquier tipo de energıa radiante en funcion deonda o frecuencia.

I La teorıa de la onda explica que la energıa viaja a la velocidad de la luz:

c = f λ ∴ c = 299792458m/s (2)

I La teorıa de partıculas describe a la energıa electromagnetica siendocompuestos por unidades discretas denomidas fotones o quantums.

E = hλ (3)

E = Energıa del foton (J). h = Constante de Planck (2.626 ∗ 10−34 J/s).

E =hc

λ

La energıa de un foton es inversamente proporsional a su longitud de onda.Cuanto mas larga sea la longitud de onda, menor sera su contenidoenergetico.


Espectro electromagnetico II

La sucesion de valores de longitud de onda es continua, suele establecerseuna serie de bandas en donde la radiacion electro-magnetica manifiesta uncomportamiento similar.

La organizacion de estas bandas de longitudes de onda o frecuencia sedenomina espectro electromagnetico.

La radiacion electromagnetica es una forma de energıa dinamica queinteractua con la materia.


Espectro electromagnetico III

El sol es la principal fuente de radiacion electromagnetica para los sensoresremotos.

Toda materia a temperaturas por encima del 0 absoluto (0 ok), emitenradiacion electromagnetica.

La cantidad de energıa emitida es en funcion de los objetos y la superficietermica emitida por ellos.Ley de Stefan-Boltzmann:

W = σT 4 (4)

W = Radiacion emitida total (W /m2).σ = Constante (5.6697 ∗ 10−8W /m2/K 4.T = Temperatura absoluta (K).


Espectro electromagnetico IV

La distribucion espectral de la energıa emitida varıa acorde a la temperatura.Ley de desplazamiento de Wien:

λm =A

T(5)

λm = Longitud de onda maxima de la emision espectral.A = 2898 µmK .T = Temperatura K.


Espectro electromagnetico V

Entre ambas leyes estipulan que:

I Cuanto a mayor es la temperatura radiante, mayor sera la radiacion emitida.I A como la temperatura aumente, el pico de la radiacion espectral se distribuye

en ondas mas cortas.


Espectro electromagnetico VI

Cuadro : Espectro electromagnetico.

Ultravioleta λ ≤ 0.4µmLuz visible λ ≤ 0.4µm a 0.7µmInfrarrojo cercano λ ≤ 0.7µm a 1.35µmInfrarrojo medio λ ≤ 1.35µm a 3.0µmInfrarrojo termico λ ≤ 3.0µm a 14µmMicroondas λ ≤ 1.0mm a 1m

Espectro visibleAzul λ ≤ 0.4µm a 0.5µmVerde λ ≤ 0.5µm a 0.6µmRojo λ ≤ 0.6µm a 0.7µm


Espectro electromagnetico VII

Figura : Espectro electromagnetico.


Interaccion de la atmosfera con el espectroelectromagnetico I

Absorcion atmosferica.

Dispersion atmosferica.

Emision atmosferica.

Atmosfera → Representa el medio por donde viaja el flujo energetico de lasuperficie al sensor.


Absoricon atmosferica I

Absorcion atmosfericaLa absorcion atmosferica tiene una importancia en el sentido de los sensorespasivos, que utilizan la radiacion electromagnetica proveniente del sol, ya que laatmosfera se comporta como un filtro selectivo de tal forma que algunas regionesdel espectro se eliminan cualquier posibilidad de observacion remota.

La interaccion de ciertos gases causan efectos de absorcion y dispersion queinterfiere con la transmicion del flujo de energıa.


Absoricon atmosferica II


Absoricon atmosferica III

Gases causantes del efecto de absorcion atmosferica:

Oxigeno (O2): filtra radiaciones electromagneticas por debajo de 0.1 µm ypequenos sectores en el infrarrojo termico y las microondas.

Ozono (O3): elimina la radiacion ultravioleta inferior a 0.3 µm, ası como unsector aproximado de 27 mm de microondas.

Vapor de Agua: Absorbe ondas en torno a los 6 µm y otras menores a 0.6 y2 µm .

Dioxido de carbono (CO2): Absorbe el infrarrojo termico hasta 15 µm conefectos importantes en el infrarrojo medio desde 2.5 µm hasta 4.5 µm.


Absoricon atmosferica IV

Ventanas atmosfericasSon aquellas bandas del espectro electromagnetico con logitudes de onda endonde la mayorıa de la radiacion puede atravesar, facilitando el proceso derecoleccion de datos y el diseno de los sensores espaciales ajustados a obtenerinformacion dentro de estas bandas del espectro.Principales ventanas:

Espectro del visible.

Infrarrojo medio.

Infrarrojo termico.

Microondas.

Las ventanas pueden verse interferidas con los gases, partıculas atmosfericas, estese ve interferido hasta cierto punto con la dispersion y la absorcion de laatmosfera. Por eso, los datos deben ajustarse posteriormente mediante unamanipulacion digital.


Absoricon atmosferica V

Figura : Ventanas atmosfericas.


Absoricon atmosferica VI

Figura : Ventanas atmosfericas.


Dispersion atmosferica I

Dispersion atmosferica

Es causada por su interaccion con los gases, partıculas atmosfericas en suspenciono gotas de agua.

Cuando la energıa electromagnetica entra en contacto con la atmosfera terrestresufre una serie de alteraciones, debido a la interaccion de gases:

1 Direccion e intensidad de la radiacion.

2 Longitud y frecuencia de la onda.

3 Distribucion espectral de la energıa radiante.


Dispersion atmosferica II

Principales tipos de dispersion presentes en la atmosfera:

Dispersion de Rayleigth:cuando la longitud de onda de la radiacion es mas grande que el dıametro delas moleculas de gas responsables de la dispersion (las longitudes de ondacorta se dispersan con mayor facilidad).Afecta a las longitudes de onda mas cortas, que son mucho mas dispersadasque el resto.moleculas de dispersion: diversos gases de la atmosfera.Ejemplo: Color azul del cielo.


Dispersion atmosferica III

Dispersion de Mie: cuando la longitud de onda de radiacion es similartamano de la partıcula responsable de dispersion.moleculas de dispersion: vapor de agua.

No selectiva: cuando la longitud de onda de la radiacion es mas pequena queel diametro de la partıcula. Afecta por igual a diversas longitudes de onda.Ejemplo: Las nubes o nieblras tienden a aparecer blancas, ya que dispersanpor igual toda la luz visible.


Dispersion atmosferica IV


Dispersion atmosferica V


Dispersion atmosferica VI


Emision atmosferica I

La emision atmosferica resulta fundamental en el trabajo dentro del infrarrojotermico, si se pretenden obtener mediciones de temperatura a partir de lasimagenes espaciales.

Como los objetos terrestres, la atmosfera tambien emite energıa, por lo queese parametro debe considerarse para separalo de la emitancia espectralproveniente del suelo.


Interaccion energetica de los objetos superficiales I

La interaccion de la radiacion electromagnetica se realiza de tres formas:

Energıa reflectada → suele expresarse en terminos de coeficiente llamadoalbedo.

Energıa Absoribida → gran parte de los materiales sobre la superficieterrestre y la atmosfera transforman la energıa recibida en calor, aumentandosu temperatura.

Energıa transmitida → cantidad de energıa que se transmite a traves delobjeto.

Ei (λ) = Er (λ) + Ea(λ) + Et(λ) (6)

Estas formas varıan dependiendo del material superficial observable.

El flujo incidente sobre una superficie es reflejado, transmitido o absorbido.


Interaccion energetica de los objetos superficiales II

Tipos Superficie especıfica Albedo ( %)Suelos Arena fina 37

Suelo oscuro 14suelo oscuro humedo 8Suelo arado humedo 14

Agua Nieve densa y limpia 86-95Hielos oceanicos 36Capas de hielo con agua superficial 26

Vegetacion Matorrales deserticos 20-29Trigo 16-23Robles 18Bosques deciduos 17Bosques de pinos 14Praderas 12-13Humedales 10-14


Resumen


Firmas espectrales I

Firmas espectrales

Los distintos tipos de coberturas terrestre (bosques, suelos, cultivos, laminasde agua, etc.), se distinguen por la energıa que reflejan y emiten.

Este comportamiento distintivo de cada tipo de material es aprovechado pararealizar clasificaciones de imagenes.

Son fundamentales para reconocer cubiertas de interes, o parametros dentrode esas cubiertas (clorifla en la vegetacion o agua turbia).

Obtencion:I Medrila con un radiometro.I Extraerla de una biblioteca espectar disponible.I Simular mediante modelos fısicos.I Extraerlas de una imagen con la debida resolucion espectral.


Firmas espectrales II

Definicion

Es el comportamiento diferencial que presenta la radiacion reflejada (reflectancia)o emitida (emitancia) desde algun tipo de superficie u objeto terrestre en losdistintos rangos del espectro electromagnetico.


Firmas espectrales de la vegetacion I

Comportamiento espectral de la vegetacionLa vegetacion presenta ciertas dificultas para definir con exactitud una firmaespectral debido a ciertos factores tales como:

Relacionados con la reflectividad de la hoja (precencia de pigmentos,extructura celular y el contenido de humedad.

Caracterısticas geometricas de la planta, principalmente su area foliar, laforma de las hojas, su distribucion en la planta, la geometrıa del dosel, laimportancia del componente lenoso, etc.

Situacion geografica de la planta (pendiente, orientacion, asociacion conotras especies, reflectividad del sustrato, geometrıa de la plantacion,ondiciones atmosfericas, etc.


Firmas espectrales de la vegetacion II

Figura : Firma espectral de la vegetacion.


Firmas espectrales de la vegetacion III



Firmas espectrales de la vegetacion IV



Firmas espectrales de la vegetacion V

400 - 500 nm: se produce una fuerte absorcion por la clorofila, el caroteno yla xantofilia.

500 - 600 nm: el nivel de absorcion es menor, y por tanto, la reflectancia esalgo mayor que en las regiones azul y roja adyacentes. La reflectancia en estazona es responsable del color verde que percibimos en las plantas.

600 - 700 nm: se produce una fuerte absorcion por la clorofila, que esinferior por la parte del enves y aun menor en la vegetacion seca.

700 - 800 nm: se produce la transicion entre la zona de absorcion de laclorofila y los altos niveles de reflectancia hacia los 750 nm.

800 - 1100 nm: factor decisivo es la estructura interna de la hoja.


Firmas espectrales del suelo I

Firmas espectrales en el suelo

Los factores principales que afectan en el suelo son:I Color.I Humedad.I Textura y estructura.I Disposicion (horizontal o vertical).I Angulos de iluminacion.


Firmas espectrales del suelo II


Firmas espectrales del suelo III


Firmas espectrales del suelo IV


Firmas espectrales de la nieve I

La nieve posee un comportamiento altamente reflectivo en la seccion visibledel espectro electromagnetico, disminuyendo fuertemente hacia el infrarrojocercano.

Los factores que afectan este comportamiento son, entre otros, su grado decompactacion, el tamano de los cristales y el grado de pureza.


Firmas espectrales de la nieve II


Firmas espectrales del agua I

Las superficies acuaticas absorben o transmiten la mayor parte de la radiacionoptica que reciben, siendo mayor su absortividad cuanto mayor se la longitudde onda.

La mayor reflectividad del agua clara se produce en el azul, reduciendosepaulatinamente hacia el infrarrojo cercano y medio, donde ya espracticamente nula.

La variabilidad del agua es mas facilmente detectable en las longitudes deondas mas corta (azul y verde).

Se relaciona con su profundidad, contenido de materiales en suspension(clorofila, sedimentos y nutrientes), y su rugosidad de la superficie.

La profundidad del agua influye directamente en el aporte de reflectividadderivado de los materiales del fondo. En aguas poco profundas la reflectividadaumenta, ya que hay mayor aporte de la radiancia reflejada por los fondos.


Firmas espectrales del agua II


Firmas espectrales de infraestructuras urbanas I

Los materiales distintos en las infraestructuras urbanas posees caracterısticasdiferentes.

Por ejemplo:I Los diferentes tipos de asfaltos y cementos poseen la caracterısticas de tener

una gran absorcion del espectro electromagnetico por lo que se les conocecomo elementos calientes. Por otro lado, la madera, varıa acorde al color y laforma e intensidad que fue secada.


Firmas espectrales de infraestructuras urbanas II


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