intro teruel 2011 - universitat de valència · inicio (fotografÍa): plataformas rudimentarias...

Del 25 al 28 de julio de 2011 – 30 horas

José A Sobrino (sobrino@uv es)José A. Sobrino ([email protected])

http://www.uv.es/ucg

GLOBAL CHANGE UNITLaboratorio de Procesado de Imágenes (LPI)

Parque Científico de la Universidad de Valencia

Tel: 96 354 3115

PROFESORADO:

Ana Vidal Pantaleoni profesora UPV Ana Vidal Pantaleoni, profesora UPV

Juan Carlos Jiménez, investigador UCG

Guillem Sòria, investigador UCG

Victoria Hidalgo, investigadora UCG

Belen Franch, investigadora UCG

Rosa Oltra, investigadora UCG

PROGRAMA ‐ TEORIA

INTRODUCCIÓN: DEFINICIÓN EVOLUCIÓN INTRODUCCIÓN: DEFINICIÓN, EVOLUCIÓN

HISTÓRICA, SENSORES Y PLATAFORMAS

ESPACIALES

INTERACCIÓN RADIACIÓN CON LA SUPERFICIE

TERRESTRETERRESTRE

FUNDAMENTOS FÍSICOS, CORRECCIONES

APLICACIONES

PROGRAMA ‐ PRÁCTICAS

5 PRÁCTICAS DE 4 HORAS CADA UNA 5 PRÁCTICAS DE 4 HORAS CADA UNA

LUNES TARDE Y MARTES MAÑANA Y TARDE:

Procesamiento digital de imágenes de satélite:

Introducción y extracción de información. Landsat.

ModisModis.

JUEVES MAÑANA: Medidas experimentales

JUEVES TARDE: Simulación de transferencia radiativa

LUNES 25 MARTES 26 MIÉRCOLES 27 JUEVES 28

8:30 – 9:00Recogida de

documentación

HORARIO:

9:00 – 11:00Introducción(J. A. Sobrino)

Trabajo Práctico ‐2(Juan Carlos Jiménez

– Guillem Sòria)

Correcciones Atmosféricas(J. A. Sobrino)

Trabajo Práctico ‐4(Victoria Hidalgo –

Rosa Oltra)

11:00 – 11:15 Descanso Descanso Descanso Descanso

11:15 – 13:15 Interacción con la superficie terrestre.


– Guillem Sòria)

Aplicaciones.Conferencia.(J. A. Sobrino)

Trabajo Práctico ‐4(Victoria Hidalgo –

Rosa Oltra)

13:15 – 14:15Descanso Descanso

14:15 16:00 Descanso Descanso14:15 – 16:00 Descanso Descanso

16:00 – 18:00Trabajo Práctico‐1

(Juan Carlos Jiménez– Guillem Sòria)


– Guillem Sòria)

Excursión a Albarracín

Trabajo Práctico ‐5(Belén Franch –J. A. Sobrino)

18:00 – 18:15 Descanso Descanso Descanso

18:15 – 20:15Trabajo Práctico ‐1

(Juan Carlos Jiménez– Guillem Sòria)


– Guillem Sòria)

Trabajo Práctico ‐5(Belén Franch –J. A. Sobrino)

BIBLIOGRAFIALIBROS BÁSICOS LIBROS DE CONSULTA

Chuvieco, E. (1997)

Elachi, C. (1987)

Pinilla, C. (1995)

Sobrino, J.A. et al., (2000)

Asrar, G. (1989)

Choudhury, B. J., (1989)

Colwell, R. N. (1983)

Kondratyev, K. Y. (1969)

Kondratyev, K. Y. and C k ll A P ( 8)Cracknell, A.P. (1998)

Lenoble, J., 1993

Ulaby, F. T., Moore, R. K. and Fung, A. K. (1982)

1

¿QUÉ ES LA TELEDETECCIÓN?¿QUÉ ES LA TELEDETECCIÓN?

Francés “télédétection” traducción dada en 1967 al término inglés “remotesensing”, en Hispanoamérica “percepción remota”, Brasil “pesquisasespaciais”.

D1-La adquisición de información sobre un objeto a distancia, esto es, sin que exista contacto material entre el objeto o sistema observado y el observador (visión, sonar...)

D2 más restrictiva: La teledetección electromagnética es la disciplina científica que reagrupa el conjunto de conocimientos y técnicas utilizadaspara la observación, análisis, interpretación y gestión del medio ambiente a partir de medidas e imágenes obtenidas con ayuda de plataformas aeroportadas, espaciales, terrestres o marítimas

Objetivo:reconocer características de la superficie terrestre y de los fenómenos que en ella tienen lugar a partir de los datos registrados por el sensor.

Modo operación: Sensores: instrumentos detectan la energía electromagnética y convierten la señal en formato analógico (fotografía) o digital (imagen) que puede ser tratada y grabada.

Cualquier objeto emite y/o refleja la REM como consecuencia de su interacción con fuentes de energía propias o externas. Cada objeto o sistema tendrá una respuesta

espectral propia, en términos de energía reflejada y energía emitida

⇓SIGNATURA ESPECTRAL... huella

teledetección por objeto: identificar materiales y fenómenos que tienen lugar en la superficie

⇓Huella es única pero la signatura no!!!

variaciones espaciales y temporales de la misma en los distintos intervalos de longitudes de onda.

Teledetección ⇒vehículo REM

2

¿Por qué es útil la teledetección espacial?¿Por qué es útil la teledetección espacial?Representación sinópticaRepresentación sinópticaCobertura global zonas remotas, zonas extensas de forma instantánea frente datos puntuales (una escena landsat de 185x185 km se registra en 30 segundos).

Alta frecuencia temporal (Alta frecuencia temporal (repetitividadrepetitividad) y actualización de datos) y actualización de datos-Desde 16 días Landsat a 15 minutos MSG-series temporales largas de 20 a 30 años.-Datos actuales

Homogeneidad de datosHomogeneidad de datos-Datos consistentes tomados con el mismo instrumento, comparables.

Formato digitalFormato digital-Tratamiento informatizado de los datos-Integración de la información en SIG-Una escena Landsat proporciona 7 imágenes de 6500 filas x 6920 columnas (273 Mb)

Extiende dominio de exploración Extiende dominio de exploración --desde visible hasta las microondasdesde visible hasta las microondas

Aplicaciones multidisciplinaresAplicaciones multidisciplinaresFuente de información útil para usuarios diversos

permite acceder así a una nueva “vista” sobre la Tierrapermite acceder así a una nueva “vista” sobre la Tierra

Fuente de información en estudios de transformación del globoFuente de información en estudios de transformación del globo

Interviene en el desarrollo consciencia ecológica de la sociedadInterviene en el desarrollo consciencia ecológica de la sociedad

EVOLUCIÓN HISTÓRICAEVOLUCIÓN HISTÓRICA

1) ETAPA PRECURSORA (FINALES XIX-1920)INICIO (FOTOGRAFÍA): PLATAFORMAS RUDIMENTARIAS PALOMAS, COMETAS,GLOBOS.

PRIMERAS FOTOS AVIÓN 1909 (WILBUR WRIGHT-pasajero fotos cerca de Roma)

EVOLUCIÓN (FINES MILITARES-I GUERRA MUNDIAL)

2) PRIMERAS APLICACIONES CIENTIFICAS (1920-1945)PROSPECCION GEOLOGICA Y MINERA, INVENTARIOS FORESTALES, CARTOGRAFÍAS DE ZONAS DEL PLANETA MAL CONOCIDAS (SURESTE ASIÁTICO, SAHARA, SIRIA)

1936.-STEVENS PRIMERA FOTO CURVATURA TIERRA DESDE GLOBO A 2000 metros.

1938.-WERNER VON FRITSCH, GENERAL ALEMAN, DICE LA NACIÓN CON MEJOR RECONOCIMIENTOFOTOGRAFICO DEL ENEMIGO GANARA LA PROXIMA GUERRA.

II GUERRA MUNDIAL: CONTROL DE INVESTIGACIÓN E INSTRUMENTACIÓN DELA FOTOGRAFIA AEREA VUELVE A EJERCITO. EXIGENCIAS BELICAS IMPULSO: NUEVAS LENTES, PELICULAS, RADAR, MEJORAS ESTABILIDAD AVIONES.

3) APLICACIÓN GENERALIZADA FOTO AEREA (1945-1960)APLICACIONES CARTOGRAFÍA TOPOGRÁFICA, GEOLÓGICA, AGRÍCOLA, FORESTAL. SE SOBREVUELAN PAISES QUE NO TENÍAN CARTOGRAFÍA.

PUBLICACIONES, NACIMIENTO REVISTAS, SOCIEDADES Y ORGANIZACIONES.

3

EVOLUCIÓN HISTÓRICAEVOLUCIÓN HISTÓRICA4) NACIMIENTO TELEDETECCIÓN ESPACIAL (1960-1972)

La guerra fría impulsa la investigación

4 de octubre de 1957 comienza la Era espacial: (Sputnik I- URSS)

1960.-Observación orbital sistemática de la Tierra (NASA pone en marchaTIROS-I, primeros satélites meteorológicos )

1972 se lanza LANDSAT 1 (primer satélite para el estudio de los recursosnaturales).

5) DESARROLLO DE PROGRAMAS ESPACIALES OPERATIVOS (1972-1995)

1972 programa Landsat, ahora Landsat 5 (1984). (Landsat 6 no alcanzó órbita, 7 ha dejado de funcionar)

1977: serie Meteosat (ESA), equivalente americano GOES (1974)

1978: SEASAT (primer radar uso civil), falló después de 106 días.

1979: series TIROS rebautizados como NOAA

1986: SPOT-1 (CNES), SPOT 2(1990), SPOT3(1993-96),SPOT4(1998),SPOT5(2002).

1988: IRS-1A primer satélite Indio (IRSS: Indian Remote SensingSatellites)

EVOLUCIÓN HISTÓRICAEVOLUCIÓN HISTÓRICA

1991: ERS1 primer radar Europeo y biangular (ESA), ERS2(1995)

1992:JERS (Japón)

1995: RADARSAT (Canada)

1995: 8X (Satélite Espía, detalles de 15 centímetros).

6) PANORAMA ACTUAL Y FUTURO 1997: ADEOS (Japón), Meteosat 7 (ESA)1999: TERRA (NASA)2001: QUICKBIRD (61 cm resolución). Entrada sector privado.2002: AQUA (NASA), ENVISAT (ESA), MSG-1(ESA), ADEOS-II(Japón).FUTURO: Cryosat, SMOS, MetOP, etc.

Carrera: Espectral: ver lo que antes era “invisible”

Espacial: carrera por el pixel más pequeño

Temporal: busqueda de la repetitividad

Análisis de datos: fotointerpretación a potentes ordenadores)

Aplicaciones: análisis de las imágenes a gestión recursos

4

ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO

Sensores y PlataformasSensores y Plataformas�� PASIVOS: REGISTRA RADIACION EMITIDA POR SISTEMA O RADIACIÓN PASIVOS: REGISTRA RADIACION EMITIDA POR SISTEMA O RADIACIÓN

SOLAR REFLEJADA (CÁMARA FOTOS, RADIÓMETROS, VÍDEO)SOLAR REFLEJADA (CÁMARA FOTOS, RADIÓMETROS, VÍDEO)

�� ACTIVOS: SENSOR PRODUCE SEÑAL Y REGISTRA LA REFLEJADA EN ACTIVOS: SENSOR PRODUCE SEÑAL Y REGISTRA LA REFLEJADA EN SISTEMA OBSERVADO (RADAR, LIDAR)SISTEMA OBSERVADO (RADAR, LIDAR)

�� SEGÚN REGION: SEGÚN REGION: VISVIS--PIR: 0,4PIR: 0,4--2,5 MICRÓMETROS2,5 MICRÓMETROSTIR: 3TIR: 3--5, 85, 8--14 MICRÓMETROS14 MICRÓMETROSMW: 0,1MW: 0,1--100 CM100 CM

Radiómetros de BarridoRadiómetros de BarridoRadiómetros de EmpujeRadiómetros de EmpujeRadiómetros de microondas (antena que recoge señal)Radiómetros de microondas (antena que recoge señal)El radar (emisor, receptor, antena)El radar (emisor, receptor, antena)-- atravesar nubes. Altímetro (medir altura o elevación atravesar nubes. Altímetro (medir altura o elevación

objeto).objeto). DispersómetroDispersómetro: velocidad viento a partir medida rugosidad mar.: velocidad viento a partir medida rugosidad mar.LidarLidar mide la radiación devuelta por fuente de rayos mide la radiación devuelta por fuente de rayos laserlaser. Longitud de onda pequeña: . Longitud de onda pequeña:

perfil atmosférico del vapor de agua, aerosoles.perfil atmosférico del vapor de agua, aerosoles.

RESOLUCIONRESOLUCIONespacial (1m espacial (1m IkonosIkonos, 5 , 5 kmkm MeteosatMeteosat). Espectral. ). Espectral. RadiométricaRadiométrica (TM, 256 error 0.5 K, (TM, 256 error 0.5 K,

AVHRR 1024 niveles, error 0.12 K). Temporal (26 días Spot, 16 AVHRR 1024 niveles, error 0.12 K). Temporal (26 días Spot, 16 LandsatLandsat, 15 mi. MSG), 15 mi. MSG)

5

Radiómetro de barrido

�� LandsatLandsat�� NOAANOAA--AVHRRAVHRR�� SPOTSPOT�� IRS seriesIRS series�� MedioambientalesMedioambientales�� RadarRadar�� comercialescomerciales

6

LandsatLandsat�� PrimeroPrimero lanzadolanzado en 1974en 1974�� Multi Spectral Scanner (MSS) Multi Spectral Scanner (MSS) �� 44 bandasbandas (Green, Red, NIR x2) (Green, Red, NIR x2) �� 80m resolution 80m resolution suelosuelo�� 185Km swath 185Km swath �� First Series First Series --

�� LandsatsLandsats 1,2 and 31,2 and 3

LandsatLandsat�� LandsatLandsat 4 en 19834 en 1983�� Upgraded instrument Upgraded instrument --

�� LandsatLandsat ThematicThematic MapperMapper (TM)(TM)

�� 7 bands 7 bands �� Blue, Green, Red, NIR, Blue, Green, Red, NIR,

�� SWIR x 2, TIRSWIR x 2, TIR

�� 30m resolution 30m resolution suelosuelo�� 185Km swath 185Km swath �� LandsatLandsat 7 en 19997 en 1999�� 5m5m pancromaticopancromatico

7

Satellite Imaging SystemsSatellite Imaging Systems

NOAANOAA--AVHRRAVHRR

�� A weather satellite series A weather satellite series

�� Launched in 1978Launched in 1978

�� 5 bands, 1.1Km resolution5 bands, 1.1Km resolution

�� 2700 Km swath2700 Km swath

�� Cheap satellite for global or Cheap satellite for global or continental scale monitoringcontinental scale monitoring

Satélites NOAASatélites NOAA� Satélites Heliosíncronos.� Una imagen cada 6 horas.

(7:30, 19:30, 1:40, 13:40)� NOAA-12 y NOAA-14: 1Km2 Nadir

Canal Banda λ (μm)1 Visible 0.58 - 0.682 Infr. Próximo 0.72 - 1.103 Infr. Medio 3.55 - 3.934 Infr . Térmico 10.3 - 11.35 Infr . Térmico 11.5 - 12.5

� Sensor: AVHRR� 5 canales

� Error de digitalización en canales térmicos (NEδT): 0.12 K a 300 K

8

SPOTSPOT�� MultiMulti--spectral modespectral mode�� MSMS -- 3 bands 3 bands �� Green, Red, NIRGreen, Red, NIR�� Twenty meters resolutionTwenty meters resolution

SPOTSPOTPANPAN -- 1 (0,511 (0,51--0,730,73 micrómetrosmicrómetros))

band at 10m resolutionband at 10m resolution

9

SATELITES MEDIOAMBIENTALESSATELITES MEDIOAMBIENTALES

�� RESURSRESURS

�� TOPEX/TOPEX/PosidonPosidon

�� SeaWIFSSeaWIFS

�� EnvisatEnvisat


RESURSRESURS

�� Russian satellite marketed Russian satellite marketed

by Swedenby Sweden

�� Five bands, visFive bands, vis--NIRNIR

�� 150m resolution150m resolution

�� 600Km swath600Km swath

10


TOPEX/TOPEX/PosidonPosidon

�� French/USAFrench/USA

oceanographic satelliteoceanographic satellite

�� Radar altimeterRadar altimeter

�� Measures wave heightMeasures wave height


SeaWIFSSeaWIFSOceanographic colour imageOceanographic colour image

HistoryHistory -- CZCS, MOSCZCS, MOS--11

8 bands in vis8 bands in vis--NIRNIR

Chlorophyll concentrationChlorophyll concentration

11

Radar SatellitesRadar Satellites

�� SEASATSEASAT

�� SIR seriesSIR series

�� ERS seriesERS series

�� JERSJERS--11

�� RadarsatRadarsat

ENVISAT/AATSR

� MISIÓN EUROPEA MÁS IMPORTANTE

� A BORDO 10 INSTRUMENTOS

12

ENVISAT� GOMOS: global ozone monitoring� MIPAS: Passive atmospheric sounding� MERIS: Spectrómetro� ASAR: Syntetic Aperture Radar� RA-2: Radar altímeter� MWR: Microwave radiometer� DORIS: Doppler orbitography� LRR: retroreflector laser� SCIAMACHY:Atmospheric cartography� AATSR: Advanced ATSR

NUEVOS SATELITES COMERCIALESNUEVOS SATELITES COMERCIALES

Earth WatchEarth Watch�� LanzadoLanzado finales 98 finales 98 -- muertomuerto�� ReRe--launch 2000launch 2000�� MultiespectralMultiespectral

�� 33 bandasbandas�� 15m15m resolucionresolucion

�� PanPan�� 3m3m resolucionresolucion

13

NUEVOS SATELITES COMERCIALESNUEVOS SATELITES COMERCIALES

EmpresaEmpresa Space ImagingSpace Imaging�� MultiespectralMultiespectral

�� 44 bandasbandas�� 4m4m resolucionresolucion

�� PancromaticoPancromatico�� 1 metro 1 metro resolucionresolucion

The ESA Living Planet, Future Programme-Goce-CryOSat-Aeolus-SMOS

14

PB-EO 28+29 Nov. 2001

What are the scientific objectives? (July 2005)Improve understanding of

� global ocean circulation and transfer of heat� physics of the Earth’s interior (lithosphere & mantle) � sea level records, topographic processes, evolution of ice

sheets and sea level change

How are they achieved?� Combination of satellite gradiometry and high-low satellite-

to-satellite tracking at ± 250km altitude� Improved model of the static gravity field and geoid to a

resolution of 100km with 1mGal resp. 1-2cm accuracy

What are the benefits?� An accurate marine geoidfor absolute ocean currents� Improved constraints for interior modelling � Unified global height reference for land, sea, ice and surveying

The GOCE Mission

GPS

gradiometry

(SRON, NL)

xx

yy

zz

xy xz

yz

15

The CryoSat Mission- 27 September 2004What are the scientific objectives?

Improve understanding of:– impact of sea-ice thickness variations on climate– mass balance of Greenland/Antarctic ice sheets

How are they achieved?– SAR interferometric Radar Altimeter with precise pointing and orbit determination– measurement of Arctic sea-ice thickness variations

– measurement of temporal variations in ice-sheetelevation, including dynamic margins

What are the benefits?– improved parameterisation of sea-iceprocesses in coupled climate models– reduced uncertainty in the ice-sheetcontribution to global sea-level rise

–advances in cryosphere and climate studies

AEOLUSThe satellite for Atmospheric Dynamic Mission

Deployed, non rotatable solar arrayAladin Lidar

X Band Antenna2 S Band AntennasAladin RadiatorAladin Detector RadiatorThrusters

Star Tracker

12345678

11

2

3

45

5

6

7

8

16

Aeolus Mission

What are the scientific objectives?Improve understanding of

� atmospheric dynamics and global atmospheric transport� global cycling of energy, water, aerosols, chemicals

How are they achieved?� line of sight winds are derived from aerosol/molecular

Doppler shifts� Improved analysis of the atmospheric state to provide a

complete three-dimensional picture of the dynamical variables

What are the benefits?� Improved parameterisation of atmospheric processes in

models� Advanced climate and atmospheric flow modelling � Better initial conditions for weather forecasting 2.1

Aeolus: Status of Spacecraft Development• Phase B contract kicked-off with full set of agreed specifications on 1 July 2002.

• Pre-Development of Instrument nearing completion.

• Phase B complete. Preliminary Design Review has been successful.

• Phase C/D started on schedule on 1 October 2003. Contract signed. First Flight model hardware fabricated:

• Launch foreseen for 1 October 2007. 2.4

Mie Spectrometer Rayleigh Spectrometer

M1 Mirror SegmentFlight Model

17

SMOSSMOS

PB-EO 28+29 Nov. 2001

Nadir path

Satellite

Spacecraftvelocity

d N

Swath1000 km

30°

θ = 55°

Local incidenceangle θ

Earth

ηm

The SMOS Mission

,....),/,,,,( 0σθν ssmTpfTb =

What are the scientific objectives?:To improve understanding of:

- the water cycle (and the Energy and Carbon Cycle), and - its representation in mesoscale models(Hydrology, Oceanography and Climate).

How are they achieved?:Constraining models by global soil moisture and ocean salinity observations estimated from dual-pol., multi-angular, L-bandbrightness temperature measurement acquired by a 2D interferometer.

What are the benefits?:Enhancement of the model parameterisation will:

- improve the weather prediction- improved ocean circulation/hydrology modelling- better extreme event forecasting

18

EARTH WATCH-Three elements approved in the Ministerial Council atEdinbourgh in November 2001:

�GMES Service Element�TerraSAR Consolidation

�Fuegosat Consolidation

Mission based on the exploitation of data from satellites carrying L-band and X-band SAR instruments

The development of a ground segment and operation concept for real time disaster management not limited to fire.

A BORDO DE AVIÓNA BORDO DE AVIÓNVENTAJASVENTAJAS�� FLEXIBLE EN TIEMPOFLEXIBLE EN TIEMPO

�� ResoluciónResolución determinadadeterminada porpor alturaaltura�� SensoresSensores concon muchasmuchas bandasbandas +80+80DesventajasDesventajas

�� ElevadoElevado costecoste ((vuelovuelo cercacerca 30000 euros30000 euros�� ComplejidadComplejidad operacionaloperacional

19

Eurostarrs, WISE, LOSAC

Oil drilling platform near Barcelona

Deployment of the TUD L-band red. on DK Aircraft

The sites in Europe used for the sea and soil measurements during Eurostarrs

• Background:– Passive fluorescence functions as direct

indicator of the vegetation status and vitality, and is linked to primary biomass production through CO2 assimilation

– Technique judged of high scientific merit during AO for Earth Explorer Opportunity Missions

– ESAC recommended initiation of scientific and technical studies furthering a satellite mission concept

• Objectives of Solar Induced Fluorescence experiment: – Verify whether fluorescence signal in Boreal

forest environment is suitable for spaceborne applications

– Investigate linkage between photosynthetic activity indicators such as fluorescence and CO2 fluxes

Solar Induced Fluorescence Experiment: SIFLEX 2002

20

• Aims:– To establish the performance of the TerraSAR

system for Land Use Mapping and Agricultural Applications

– To establish the allowable time lag between L-and X-Band acquisitions by examining retrieval and classification performance as a function of lag

– To assemble representative L- and X-Band SAR measurements for TerraSAR demonstration activities

• Experiment details: – Barrax test site, Albacete, Spain

– Two sub campaigns, on April 1– 3 and April 21-24, 2003

– 4 flights on two days with X-, C- and L-Band– Do228 plane + E-SAR SAR imaging system– Extensive in-situ measurements including land

use map and crop biomass

TerraSARSIM 2003: Campaign Overview

• Aims:– Collection of simultaneous, collocated airborne

laser and radar altimeter data– Collection of additional collocated helicopter borne

ice thickness measured using electromagnetic probe and borehole data for validation of retrieval

– Pre-launch trial experiment to assess overall validation concept for Cryosat products

• Experiment details:– Experiment dates: April 03 – 19, 2003– Airborne laser scanner and D2P radar altimeter

located on KMS Twin Otter – Coordination of airborne acquisitions with

icebreaker Polarstern acting a drifting station in the Fram Strait

– Additional airborne collocated radar-laser altimeter data sets collected over key Cryosat validation sites

Cryosat Validation Experiment: Cryovex 2003

21

Drifting stationphase

Twin Otter Flight Lines

Cryosat Validation Experiment: Cryovex 2003

•Aims:–Support Earth Explorer Spectra Phase A study

–Validation of BRDF forward function

–Validation of Spectra geo-physical parameter retrieval algorithms

–Atmospheric correction and co-registrationalgorithms for multi-view images

•Experiment details:–Experiment dates: July 12 – 14, 2003–Satellite acquisitions (CHRIS/Proba, MERIS, SEVIRI)–DLR airborne acquisitions (HyMAP, ROSIS)–Atmospheric profiling (radiosondes, sun-photometers, Lidar)–Field soil and vegetation measurements (radiometry, LAI, fCover, Chlorophyll, etc.)

Spectra Barrax Experiment: SPARC 2003

22

OBJETIVOOBJETIVO

•MEJORAR EL CONOCIMIEN TO CIENTIFICO DE LOS PROCESOS QUE TIENEN

LUGAR EN LA SUPERFICIE TERRESTRE. COMPRENDER Y EVENTUALMENTE

PREDECIR EL CAMBIO GLOBAL PRODUCIDO POR AGENTES EXTERNOS Y EL

HOMBRE.MEDIDA CONVENCIONALMEDIDA CONVENCIONAL--TELEDETECCIONTELEDETECCION

• Interfase suelo-atmósfera es una superficie compleja

Redistribución de la energía

-Flujo de conducción de calor en el suelo-Flujo de calor sensible por convección-Flujo de calor latente por evaporación-Flujo radiativo emitido por la superficie

Desertificación, urbanización, humedad del suelo, deforestación

• Medida convencional es difícil de generalizar .•Observación por satélite:

ventajasventajas: -cobertura espacial (0,01 a 10 km) -cobertura temporal (0.5 a 6h)-cobertura espectral (Visible, infrarrojo, microondas)

LimitesLimites: -Atmósfera perturba la medida -Sólo reflectividad, emisividad y temperatura

-Flujos de calor por modelización

TeledetecciónTeledetección --Medio ambienteMedio ambiente

• N O C I O N E S F U N D A M E N T A L E S D ER A D I A C I O N

• I N T E R A C C I Ó N D E L A R A D I A C I Ó N C O N L AS U P E R F I C I E T E R R E S T R E .

• E L E F E C T O A T M O S F É R I C O E NT E L E D E T E C C I Ó N Y S U C O R R E C C I Ó N .

• L A D E T E R M I N A C I Ó N D E L A T E M P E R A T U R AD E L A S U P E R F I C I E T E R R E S T R E D E S D ES A T É L I T E .

P A R Á M E T R O S M E D I B L E S : A L B E D O , I N E R C I AT É R M I C A , V A P O R D E A G U A …

23

NOCIONES FUNDAMENTALES DE NOCIONES FUNDAMENTALES DE RADIACIÓNRADIACIÓN

�� MAGNITUDES BÁSICASMAGNITUDES BÁSICAS

�� LEYES DE RADIACIÓNLEYES DE RADIACIÓN

�� ECUACIÓN DE TRANSFERENCIA ECUACIÓN DE TRANSFERENCIA RADIATIVARADIATIVA

N O C I O N E S F U N D A M E N T A L E S D ER A D I A C I Ó N

1 . - M A G N I T U D E S B Á S I C A S

a ) M a g n i t u d e s r a d i o m é t r i c a s b á s i c a s

E N E R G I A R A D I A N T E , Q : e n e r g í a t r a n s p o r t a d a p o r l a O E M ( J u l i o s ) .

F L U J O R A D I A N T E , Φ : Q r e c i b i d a , e m i t i d a o t r a n s p o r t a d a e n l au n i d a d d e t i e m p o y e n t o d a s d i r e c c i o n e s .

Φ =dQd t (W = J . s ) .

M a g n i t u d e s l i g a d a s a l a f u e n t e d e r a d i a c i ó n

I N T E N S I D A D R A D I A N T E , I : f l u j o e m i t i d o p o r f u e n t e p u n t u a l poru n i d a d d e á n g u l o s ó l i d o y e n u n a d i r e c c i ó n d a d a (θ , ϕ ):

I (θ ,ϕ )=d φ (θ , ϕ )

d Ω ( W s r-1)

Á n g u l o s : θ c e n i t a l , ϕ a c i m u t a l . Á n g u l o s ó l i d o ( d Ω =d Αr 2 )

F u e n t e p u n t u a l i s ó t r o p a ⇒ I=)(

41−Wsrf

π, Á r e a e s f e r a = 4 πr 2 ⇒ Ω = 4 π (sr)

24

Nociones fundamentales de radiación

Flujo (φ): energía radiada en todas direcciones por unidad de tiempo (w); φi = φt + φr + φa,i: incidente, t:transmitido, r:reflejado, a:absorbido

EMITANCIA, M: Potencia total emitida en un hemisferio por unidad de superficie de la fuente:

M=dΦdS (W m-2)

Radiancia-Emitancia: M=⌡⌠⌡⌠L(θ,ϕ) dΩ cosθ =

⌡⌠⌡⌠L(θ,ϕ) cosθ senθ dθ dφ

SUPERFICIE LAMBERTIANARadiancia independiente ángulo reflexión: L(θ)=L(0°) ⇒Ley del

CosenoI(θ)=I(0°) cos θ

En este caso: M= L⌡⌠⌡⌠ cosθ senθ dθ dφ=Π L

Magnitud ligada al receptorIRRADIANCIA, E: Potencia total hemisférica incidente (recibida) por unidad d e superficie del receptor.

E=dΦdS (W m-2)

25

Nociones fundamentales de radiación

Radiancia (L): flujo radiativoprocedente de una superficie elemental, en una direccióndada, por unidad de áreanormalmente colocada a ladirección de propagación ypor ángulo sólido,

L(θ,ϕ)=d2φ(θ,ϕ)

dΩ dS cos θ =dI(θ,ϕ)

dS cos θ (W m-2 sr -1)

b) MAGNITUDES ESPECTRALES

Los mecanismos de interacción dependen de la λ

Magnitudes espectrales deducidas de lasenergéticas

Medidas espectrométricas en bandas de λ muyestrechas.

Mλ=dMλdλ (W m-2 µm-1)

Definimos de la misma forma las otrasmagnitudes espectrales

Qλ , Iλ , Lλ, Eλ

26

C) ADIMENSIONALES� REFLECTIVIDAD: relación entre flujo incidente al reflejado en

superficie (ρ =φr/φi) (especular,pseudoespecular, perfectamente difusa, difusa) Hemisférica, direccional (Tema3)

� ABSORTIVIDAD: Relación entre el flujo incidente y el que absorbe una superficie (α=φa/φi)

� TRANSMISIVIDAD:Relación entre el flujo incidente y el transmitido por la superficie (ι=φt/φi)

ρ + α + ι =1

� EMISIVIDAD: Relación entre emitancia de una superficie (M) y la que ofrecería un emisor perfecto, denominado cuerpo negro, a la misma temperatura (Mn) (ε=M/Mn)

2.- LEYES DE LA RADIACIÓN

Cuerpo negro ⇒ radiador perfecto, absorbe yconvierte en calor toda la energía que recibe

i) Ley de Planck

La idea de Planck de cuantizar la radiación, llevó a encontrar ladescripción matemática de la distribución espectral de la radiancia

emitida por un cuerpo negro:

Lλ(T)=C1 λ -5

exp(C2/λT)-1 (W m-2 sr-1 µm-1)

C1=2hc2=1,19 108 W m-2 µm-1 , C2=hc/k=1,43879 104 µmKc=3 108 ms-1; h=6.63 10-34 J; k=1,38 10-23 JK-1.

Lλ(T) sólo depende de la temperatura y de la longitud de onda

Tambien ⇒ c=λυ , dυ=-(c/λ2 )dλ

Lυ(T)=Lλ(T) (λ2/c)=2hυ3

c2(exp(hυ/kT)-1) (W m-2 sr-1 Hz-1)

Cuerpo negro es lambertiano ⇒ Emitancia espectral :

Mλ(T)=π Lλ(T) (W m -2 µm-1)

27

LEY DE PLANCK

⎭⎬⎫

⎩⎨⎧

−⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

λλ

π=λ

1kThcexp

hc2M5

2

,n

ii) LEY DE STEFAN-BOLTZMANNLa radiancia total de un cuerpo negro a una T dada es la integral

de L sobre todas las longitudes de onda:

L(T)= dlTLl∫0

( = πσ 4T

(W m -2 sr-1)

σ=5.673 10-8 W m-2 K-4 sr-1 (cte de Stephan-Boltzmann)La emitancia total: M=σT4

Emitancia para 300 K y 6000 K. Se incluye la posiciónde las distintas bandas captadas por el sensor AVHRR DEL NOAA.

28

iii)LEY DEL DESPLAZAMIENTO DE WIENLa λmax correspondiente al valor máximo de la emitancia espectralse obtiene anulando la derivada primera de la fórmula de Planck.

dLλ/dλ=0 ⇒ λmaxT=2,898 10-3 mKsi λ=λmax ⇒ Mλmax=b T5, b=1,2862 10-5 W m-3 K-5

Sol: T=5900 K ⇒ λmax=0,5 µm (VISIBLE)(sensibilidad máxima del ojo humano, color amarillo)

Tierra: T=290 K ⇒ λmax=10 µm(TERMICO)(infrarrojo térmico, sólo radiómetros captan y miden esta energía)

Para λ <0,5 λmax o λ>8λmax ⇒ M es <1% de la total

dominio que corresponde al Sol está entre: 0,25 µm y 4µm

dominio que corresponde a la Tierra está entre: 5 µm y 80 µm

dependencia λ: según intervalo predominará tipo radiación.

Visible: Radiación reflejada, Térmico: Radiación emitida

iv)APROXIMACIONES LEY DE PLANCK

a) Ley de Radiación de Wien: C2/λT>>1 para λ cortasλT<5000 µm K

exp(C2/λT)-1=exp(C2/λT)

b) Ley Rayleigh-Jeans:C2/λT<<1 para λ grandesλT>105 µm K

exp(C2/λT)-1=C2/λT

Para T=1000 K⇒ λ<5 µm (Wien)λ>100 µm (R-J)

Para T=300 K⇒ λ<16,6 µm (Wien)λ>333,3 µm (R-J)

RELACION L y T

Lλ(T)=C1 λ-5

exp(C2/λT)-1 ⇒ T=C2

λ ln(1+C1λ−5 /Lλ (T))

29

v) LEY DE KIRCHOFF

Para un cuerpo cualquiera en equilibrio térmico la absortividad espectral direccional esigual a la emisividad espectral direccional. Luego los buenos emisores son buenos

absorbentes y malos reflectores.

Dado que tenemos una cavidad de dimensiones infinitas, formada por dos superficies Ay N, de las cuales N se comporta como un cuerpo negro y A es una superficie con

⇒ ε, ρ, α y τ=0

____________________________________ Α⇓ ρMn ⇓ M

⇑Mn___________________________________ Ν

Esquema de emitancias entre dos superficies.

La condición de equilibrio radiativo lleva a:

Mn=ρMn+M=ρMn+εMn ⇒ ε=1-ρ

Aplico principio conservación de energía a A, y queda:

1=α+ρ ⇒ ε=1-ρ=α y más específicamente:

ελ=1-ρλ=αλ ⇒ LEY DE KIRCHOFF

3) ECUACIÓN DE TRANSFERENCIA RADIATIVA (ETR)

CASO GENERAL

� EMITE� ABSORBE� DISPERSA

30

TRANSFERENCIA RADIATIVA

Dado un medio no dispersor. Un haz de radiancia Lλ que lo atraviesaexperimenta absorción y a la vez la materia se comporta como un

emisor.

Variación radiancia al atravesar medio absorbente y emisor: dLλ=-σλ ρ Lλ dz+jλ ρ dz

Caracter emisor: dLe,λ=jλ ρ dz (jλ mismo significado que σλ)Definimos: Jλ=(jλ/σλ)

Ecuación general de transferencia:dLλ

σλρdz =-Lλ +Jλ

Medio no dispersor: (σλ=Kλ) ECUACION SCHWARZSCHILDdLλ

Κλρdz =-Lλ +Lnλ(T)

Jλ=Lnλ(T) (Absorción)+(emisión) (cuerpo negro)

Integrando: a lo largo camino (0-z1)

Lλ(z1)=Lλ(0) exp(-uλ(z1,0))+⌡⌠

0

z1Lnλ(T(z)) exp(-uλ(z1,z)) Kλ ρdz

(absorción del medio) (contribución del medio)Si se conoce T(z), Kλ , ρ ⇒ integrar numéricamente y obtenerradiancia en z1

1

INTERACCIÓN RADIACIÓNCON LA SUPERFICE

TERRESTRE� TELEDETECCION VEHICULO REM� Objeto emite y/o refleja la REM como consecuencia de su interacción con

fuentes de energía propias o externas. Cada objeto tiene una respuestaespectral propia en términos de energía reflejada y energía emitida

(SIGNATURA ESPECTRAL)

VARIACIONES ESPACIALES Y TEMPORALES DE LA MISMA EN LOS DISTINTOS INTERVALOS DE LONGITUDES DE ONDA

� VISIBLE y PIR (reflexión)� TÉRMICO (Emisión)

Reflectividad hemisférica Parámetro adimensional igual al cociente entre el flujohemisférico reflejado dΦh y el incidente dΦi.

ρh(θ, φ)=dΦhdΦi

dΦh=dS ∫ ∫ ΦΦπ π

θθ2

0

2

0

sencosL/

'')','( dθ' dφ'

dΦi=EdS

ρh(θ, φ)=dΦhdΦi

=1E⌡

⎮⎮⌠

0

21

⌡⌠0

1/2L(θ',ϕ') cosθ' senθ' dθ'dφ'

Caso Superficie Lambertiana

Reflectividad hemisférica (dΦh=ΠLdS) ρh= dΦh

dΦi =E

Lπ

=ME

Reflectividad hemisférica espectral ρh(λ) = Mλ

Eλ

Lλ(W m-2 sr-1 µm-1)Eλ(W m-2 µm-1)

2

FUNCIÓN DE DISTRIBUCIÓN DE REFLECTIVIDAD BIDIRECCIONAL (BRDF)Nicodemus et al (1977) describe reflectividad en términos de la BRDF

Normalmente se designa con el símbolo f(sr-1):

f(θ, φ, θ', φ')=dL'(θ',φ')dE(θ,φ)

cociente entre la radiancia reflejada en la dirección, dL'(θ',φ') (W m-2 sr-1) por unidad de ángulosólido, al de la irradiancia de un haz bien colimado que incide en la superficie con unadirección dada (θ, φ), dE (W m-2)=L( θ', φ') cosθ senθ dθ dφ

No se puede medir f porque requiere medidas a ángulos sólidos infinitesimales.La alternativa es calcular dicho cociente promediado en el ángulo sólido que subtiende el

FOV del sensor, configuración de medida que se denomina bicónica y da origen al BRFSin embargo medir directamente la irradiancia (dE) da problemas y esto se soluciona con un

panel de referencia perfectamente difusor y completamente reflejante⇓

Reflectividad Bidireccional o Factor de Reflectividad (BRF), R⇓

se define como el cociente entre el flujo reflejado por una superficie y el que seria reflejadopor un reflector perfecto (Blanco Lambertiano) (L*), bajo las mismas condiciones de

iluminación y observación ⇒ dL*=ρ dE/π=dE/π (caso ideal f*=1/π)

Relacion R/f:

R(θ, φ, θ' , φ')= ffdEffdE

dLdL π

πθθ

===ΦΦ

/1*),(*)','('

dE no cambia entre medida de blanco y del panel

En la práctica este reflector perfecto PANEL (o BLANCO) DEREFERENCIA no existe, y se usa la expresión:

R(θ, φ, θ', φ')=dL'(θ',φ')dL*(θ,φ) K(θ, φ, θ', φ')

L’ hace referencia a superficie de estudio, L* al panel de referencia. Kes factor de corrección que se obtiene del calibrado del PANEL conobjeto de tener en cuenta que su reflectividad es <100%.

• El BRF es la magnitud escogida por los científicos pararealizar la medida de la reflectividad. Es decir se mide laradiancia de superficie y blanco mediante radiometro y luegose corrige cuando se conocen especificaciones del panel dereferencia (K).

• Medidas en el campo del BRF de una superficie natural bajodiferentes posiciones del Sol y del Sensor proporciona unaestimación del BRDF.

3

RADIOMETRÍA DE CAMPO (0,3 a 3,0 µm)

Se entiende por Radiometría de Campo: la Medida dereflectividad espectral de cualquier superficie en suentorno natural, llevando implicito el estudio de susinterrelaciones entre las características espectrales dela misma y sus atributos biológicos.

Papel en Teledetección: (Milton, 1987) (Deering, 1990)

a) Puente entre medidas de laboratorio y situaciónreal, permite además calibrar sensores a bordo de

satélites.

b) Útil para predecir bandas espectrales, observacióne intervalo temporal óptimo para realizar una

investigación en teledetección

c) Da una herramienta básica para el desarrollo,perfeccionamiento y comprobación de los modelos

de reflectividad que relacionan atributos físicos condatos espectrales

CARACTERÍSTICAS DE LA MEDIDA EN CAMPO(UTILIZAR LA BRF EN LUGAR DE LA BRDF SUPONE ASUMIR)

1) FOV del sensor MENOR 20°

2) Panel de referencia cubre todo el FOV del sensor

3) No cambios en iluminación entre medida Panel y superficie.Si los hubiera quiere decir no medimos a la vez irradiancia yradiancia.

4) ignorar efectos dispersión atmósfera, es decir supone ausenciade luz difusa

5) El sensor tiene respuesta lineal con cambios en el flujoincidente

6) Propiedades reflectantes del panel conocidas e invariantes a lo largo de la experiencia.

(1), (2), (5) y (6) ⇒ Por lo general, se cumplen siempre.(3), (4) ⇒ No se cumplen (Fuentes de error).

⇓"Controlar Condiciones de Iluminación"

Nubes, corrientes de partículas atmosféricas, etc..

SOLUCIÓN: Medidas en días completamente despejadosRealizar la secuencia Blanco-Superficie 3 vecesRealizar la medida en menor tiempo posible

4

INSTRUMENTOS DE MEDIDARadiómetros ⇒ Miden la radiación reflejada en bandas deespectrales definidas. (EXOTECH-100, MILTON, BARNES)

Espectrorradiómetros ⇒ espectro "continuo" (2 a 5 nm) de radiaciónen función de la longitud de onda. (Spectron, GER-SIRIS)

Permiten reproducir bandas de medida de diferentes sensores, así:

Rλi-λj(%)=

⌡⌠

λi

λjg(λ)R(λ)dλ

⌡⌠λi

λjg(λ) dλ

R(λ) factor de reflectividad determinado para la superficie enestudio

g(λ) respuesta espectral relativa de la banda del sensorRλi-λj factor de reflectividad en % correspondiente a la banda

BLANCOS DE REFERENCIALos paneles no son perfectos ⇒ Calibrarlos (Cte K) y revisar contiempo.

Construcción: recubrir panel de aluminio con material reflectante:Sulfato de Bario (Ba SO4) y el comercializado con el nombre deteflón (PTFE, polytetrafluorotileno)

Mejor actualidad: SPECTRALON reflectividad difusa (94-99.4%)

INTERACCIÓN RADIACIÓN SUPERFICIE TERRESTRE

rirprirpNDVI +

−=r : Reflectividad delcanal 1 ( visible)irp : Reflectividad delcanal 2 ( infrarrojo próximo)

Rango de valores entre -1 y 1.

5

EMISIVIDADLos cuerpos naturales no se corresponden a la definición de

cuerpo negro. Su radiancia es por tanto diferente. Para definirlanecesitamos introducir la noción de emisividad espectral direccional(ελ(θ,φ,T)) como:

ελ(θ,φ,T)=Lλ(θ ,φ,T)(cuerpo)

L°λ(T)(cuerpo negro)ελ(θ,φ,T) toma siempre valores entre 0 y 1

La temperatura radiativa o temperatura equivalente al cuerponegro, TB, es la temperatura de un cuerpo negro que emite la mismaradiancia, Lλ, que el cuerpo natural a la temperatura termométrica, T:

Lλ (θ,φ, T) = L°λ ( TB) = ελ(θ,φ) L°λ (T)

Importancia de la emisividad

En la banda 10'5 - 12'5 µmTTΔ

= ee

51 Δ

T=300 K⇒ ΔT=60 (Δε /ε)Una imprecisión del 1% en emisividad ⇒ error en T de 0,6 K

Dificultad adicional ⇒valores de emisividad no son únicos, aumentan con contenidoen agua del suelo, porosidad o rugosidad del mismo, etc.

6

MEDIDA DE LA EMISIVIDAD

LA MEDIDA IN SITU ES DIFICILADEMAS: REPRESENTATIVIDAD+INTERVALO ESPECTRAL

LA MEDIDA ES NECESARIA PARA CONOCER TEMPERATURA

Radiancia observada=Emisión propia+reflexión rad. alrededores(Ta)

LBB=εs B(Ts) + (1-εs) La

La radiancia que proveniente de la atmósfera y de losalrededores llega al sensor

εs Emisividad de la muestra

B(Ts) Función de radiación de Planck a la temperatura dela

superficie Ts

1 Ecuación con 3 incógnitas: ε sλ , Ts, y L a

Simplificar este problema ⇒ Eliminar efecto alrededores.

Método de reflectividades, radiometría activa

Método de la caja, radiometría pasiva

MÉTODO DE REFLECTIVIDADES

No mide directamente la emisividad, la obtiene a partirconocimiento reflectividad hemisférica, ρλ (Ley de Kirchoff parasuperficies opacas):

ελ=1-ρhλ

La reflectividad hemisférica es el resultado de integrar en elhemisferio superior, la reflectividad bidireccional ponderada por cosθ', donde θ' es el ángulo definido por la dirección del rayo reflejado yla normal a la superficie.

La reflectividad bidireccional se obtiene irradiando la superficie enla dirección (θ,φ) y midiendo la radiancia reflejada en la dirección(θ',φ').

Se utiliza un laser modulado , que asociado a un sistema dedetección sincronizado evita el registro de la emisión propia de lamuestra así como de la radiancia proveniente de los alrededores.

Inconvenientes a la hora de hacer medidas en el campo

a.-Necesario un buen panel de calibrado -lo que no es una tarea fácil-b.-Evitar el ruido(trabaja con radiancia reflejada no emitida ⇒señal recibida es débil).

Método de reflexión es sólo aplicable en el laboratorio

7

RADIOMETRIA PASIVA

1.-MÉTODO DE LA RADIANCIA ATMOSFÉRICA

Utiliza una superficie reflectante cerrada y lambertiana (Caja)3 medidas para obtener la emisividad

1) Radiometro observa muestra a traves orificio practicado en lacaja

LBBcaja =εs B(Ts) + (1-εs) B(Ts) = B(Ts)

Supone emisividad caja=0

2) Medida muestra sin caja

LBB=εs B(Ts) + (1-εs) La

3) Medida de la Radiancia de los alrededores, La

La temperatura del suelo no debe cambiar durante el proceso demedida

Combinando 1) y 2) LBB=εs (LBBcaja-La)+ La

ε sλ=LBB-La

LBBcaja-La

Método adecuado cuando alrededor=atmosfera

2.-METODO DE LA CAJA

Buettner y Kern (1965) eliminan problemamedir radiancia alrededores añadiendo a la cajaun segundo techo realizado de un materialemisor (el techo caliente)

Así para caja ideal material reflector (εc=0) ymaterial emisor (εh=1).

εsλ=L3-L1L3-L2

L1 y L2 , son las radiancias medidas con los techosemisor y reflector y L3 es la radiancia emitida porel techo caliente

8

Simplificación

L=aTb (Slater, 1980) usando T (radiómetro de campo):

εs=T3b-T1b

T3b-T2b

a y b obtenidos para diferentes bandas y un intervalo usual de T"in situ" (300 a340 K) DT es el error que se comete cuando se usa L=aTb.

Banda (µm) a(W m-2 K-b) b DT(K)8-14 3'0783 10-9 4'3400 0'1610'5-12'5 6'5850 10-9 4'0161 0'1710'5-11'5 1'4159 10-9 4'1697 0'1711'5-12'5 8'2751 10-9 3'8486 0'17

Precisión del método

Dε = 6 δ DTDT es la precisión del radiómetro, y para (8-14 µm)

δ=(T2)3.34

(T3)4.34- (T2)4.34

T3=320 K y T 2=300 K , Dε = 0.06 DT

Radiómetro de campo, DT=0.1°C, Dε = 0.6%

Suficiente en mayoría de las aplicaciones agronómicas.

FACTOR CORRECTOR

Caso real: la emisividad del techo caliente y friono son 1 ni 0.

εs=εo+δεδε depende de: geometría caja, temperatura yemisividades techos

Para evaluarlo,

1: Muestra patrón, permite obtener δε de formaexperimemtal

(Recomendable, pero dificil obtener muestrapatrón)

2: Modelizar: Considerar otros términos(Complejo, da idea de la corrección)

Así en el caso de 2 tapas: (1) la radiancia emitida porel techo, (2) la radiancia emitida por el lateral, (3) laradiancia del techo que se refleja en los laterales, y(4) la radiancia que emitida por el suelo, Ls, se reflejasiguiendo las mismas trayectorias (1) y (3)

9

RECOMENDACIONES PARA LA MEDIDA IN SITU• Una tapa: dias despejados o cubiertos totalmente• 2 tapas en vencindad muestra hay elementos como árboles,

casas

Temperatura techo emisor mayor que muestra y constante:Buettner y Kern (1965): canales agua caliente fluyen techo caliente,Nerry (1988): resistencias calefactoras.

Sobrino (1989): techo emisor a radiación solar. Construir cubiertaemisora con espesor considerable (Å1 cm). (T3 alcanza hasta 60 °C).Situar caja en una zona sombreada, mientras techo emisor expuesto ala acción directa de los rayos del Sol.

Medida restringida a periodos diurnos y horas centrales del día

•La experiencia nos ha mostrado reproductibilidad mejor 1%para

diferencia entre techo emisor y reflector de unos 20 grados.

• Medidas en intervalos de tiempo lo más cortos posibles(mejor días despejados y viento en calma)

• 1 Tapa: Seguir la secuencia: primero (CAJA REFLECTORA),después rápidamente sin caja y luego la atmosférica.

• 2 Tapas: Seguir la secuencia: primero CAJA REFLECTORA,después TAPA NEGRA y rápidamente TAPA NEGRA

BASE PULIDA.

INSTRUMENTACIÓN

MEDIDA IN SITU FUNDAMENTAL

� BASE DE DATOS (ESPECTROS, CANAL)

� VALIDAR ALGORITMOS

� CALIBRAR SENSORES SATÉLITES

10

INSTRUMENTACIÓN


� Naturaleza del cuerpo emisor

8-14: arena<limo<arcilla< vegetación<agua

� De la temperatura delcuerpo emisor

� del contenido en agua del suelo� Del intervalo espectral de

medida� Reststrahlen: mínimos locales de

emisividad, que varian según los materiales a causa de resonancias moleculares. Estas variaciones se utilizan en cartografía geológica en las regiones desérticas, ya que muchas rocas presentan curvas de variación espectral bien diferenciadas

FACTORES DE QUE DEPENDE LA EMISIVIDAD

11


FACTORES DE QUE DEPENDE LA EMISIVIDAD

General: 8-14 10-12 10.5-11.5 11.5-12.5Arena: 0.914 0.970 0.960 0.975Limo: 0.944 0.972 0.969 0.976Arcilla: 0.957 0.974 0.972 0.977Hierba: 0.984 0.985 0.985 0.986Agua: 0.995 0.995 0.990 0.994


FACTORES DE QUE DEPENDE LA EMISIVIDADB a s a l t o , C o n i f e r a s

0 , 8 6

0 , 8 8

0 , 9

0 , 9 2

0 , 9 4

0 , 9 6

0 , 9 8

1

0 2 4 6 8 1 0 1 2 14 16

L o n g i t u d d e o n d a

Emis

ivid

ad

A G U A D E M A R

0 , 8 50 , 8 60 , 8 70 , 8 80 , 8 9

0 , 90 , 9 10 , 9 20 , 9 30 , 9 40 , 9 50 , 9 60 , 9 70 , 9 80 , 9 9

1

0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6

L O N G I T U D D E O N D A ( υ m )

EMIS

IVID

AD

12

Variación angular emisividad

Expresión operativa para la emisividad direccionalabsoluta:

εα αα αθ =

exp (- / T ) - 1,3 exp (- / Texp (- / T ) - 1,3 exp (- / T )

rad atm0

S atm0

)

Expresión operativa para la emisividad direccionalrelativa:

εα αα αθr,

rad atm0

rad0 atm0

=exp (- / T ) - 1,3 exp (- / Texp (- / T ) - 1,3 exp (- / T )

)

Variación angular emisividad

- S i s t e m a g o n i o m é t r i c o s e m i c i r c u l a r c o n r = 1 , 5 m

- R a d i ó m e t r o O m e g a O S 8 6 ( 8 - 1 4 μ m ) c o n σ = 0 , 1 K ,I F O V = 2 º

- T e r m o p a r : T E S 1 3 1 0 T y p e K . σ = 0 , 1 K . ( u s a d o e n e la g u a )

- T e r m i s t o r : c a l i b r a d o e n e l l a b o r a t o r i o , c o n t e r m ó m e t r od e H g S i e b e r t & K u h n d e p r e c i s i ó n (σ = 0 , 0 5K ) . P r e c i s i ó n o b t e n i d a > 0 , 1 K

- M u e s t r a s : a r e n a , a r c i l l a , l i m o , g r a v a , a g u a y c é s p e d

- M e d i d a s : c a d a 5 º , r á p i d a s ( t < 2 m i n ) ( c o n d i c i ó n d es i m u l t a n e i d a d ) , e s t a b i l i z a c i ó n t é r m i c a

13

Angular Absolute Emissivity of some samples

0,88

0,9

0,92

0,94

0,96

0,98

0 20 40 60 80angle (º)

abso

lute

em

issi

vity water

sandclayslimygravel

Angular Relative Emissivity of same samples

0,94

0,95

0,96

0,97

0,98

0,99

1

0 20 40 60 80

angle (º)

rela

tive

emis

sivi

ty watersandclayslimygravel

14

Angular Relative Emissivity of same samples

0,880,89

0,9

0,910,92

0,93

0,94

0,95

0,96

0,970,98

0,99

0 10 20 30 40 50 60 70

ángulo (º)

emis

ivid

adab

solu

ta

trabajo presente

Rees&James

0,965

0,97

0,975

0,98

0,985

0,99

0,995

1

1,005

0 20 40 60 80

ángulo (º)

emis

ivid

ad r

elat

iva

trabajo presente

Labed&Stoll

Impac to de Δ ε θ en T s

Δ T s ε = (57 -7W) (1 -εn ) + (84-15W) (εn - ε f)

Muestra εn Δ ε θ( 5 5 º ) ( % ) W (g/cm 2 ) Δ T s ε ( K )

1 2 ,2A g u a 0 ,974 3 ,3 3 1 ,3

5 0 ,31 5,8 (3,3)

Arena 0 ,908 1 ,9 3 4,0 (2,2)(0,96) 5 2,2 (1,1)

1 4 ,0Gravi l la 0 ,936 1 ,2 3 2 ,7

5 1 ,5

15

MODELIZACION

MEDIOS HOMOGÉNEOS PARA HETEROGÉNEOS Y RUGOSOS

� PARÁMETROS EFECTIVOS� EFECTO DE CAVIDAD� MODELO GEOMÉTRICO

Modelo geométrico para interpretar los valores de temperatura medidos sobre áreas heterogénas y

rugosas.

1.- Altura a la que se encuentra el radiómetro, h2.- (IFOV), α .3.- Angulo de observación, θ.4.- Angulo orientación hileras respecto órbita satélite,φ.

5.- Separación media entre las hileras, S .6.- Altura media, H7.- Anchura media, F

1

CORRECCIÓN ATMOSFÉRICA

Absorción del espectro. La curva muestra la transmisión atmosférica total, y pueden observarse las ventanas

atmosféricas en las que es conveniente colocar las bandas de exploración de los sensores.

2


� EMITE, ABSORBE, DISPERSA� PERTURBA MEDIDA (APARENTE)� DEPENDE:

VIS, PIR, TIRSENSORTIPO SUPERFICIE (AGUA, SUELO)


� NECESARIAESTUDIOS MULTITEMPORALESMULTIESPECTRALESVALORES ABSOLUTOS� NO NECESARIACARTOGRAFÍACLASIFICACIONES

3


� ESPECTRO SOLARAVHRR C1 (0.65), C2 ((0.85)Dispersión Rayleigh, Mie (aerosoles)W, O3

� TÉRMICOAVHRR C3(3.75), C4 (11), C5 (12)W, CO2

Corrección atmosférica

Corrección atmosférica

Temperaturade superficie

Reflectividadde superficie

Corrección radiométrica

RadianciaTemperatura

aparente

ReflectividadTOA

VISIRMIRP

IRT

ND

Corrección atmosférica de las imágenes:• 705 Km de atmósfera interpuesta entre sensor ysuperficie.

• Aerosoles: concentración, distribución y composicióndesconocida.

• Efectos producidos:VIS, IRP e IRM → absorción y dispersión.IR Térmico→ absorción y emisión.

4

Espectro Solar

5

CORRECCIÓN ATMOSFÉRICA EN EL TÉRMICO

� Satélite Pixel (km2) Bandas IRT frecuencia

� METEOSAT 5x5 IR(10.5-12.5 μm) 48/día

� LANDSAT 0.12X0.12 6(10.5-12.5 μm) 1/16 días

� NOAA 1.1x1.1 3(3.55-3.93μm) 4 dia4(10.5-11.3 μm)5(11.5-12.5 μm)

� ERS 1.1x1.1 3n(10.5-11.5μm)4n(11.5-12.5μm) variable3f(10.5-11.5 μm)4f(11.5-12.5 μm)

Objetivo obtener la temperatura de la superficie terrestre


� APLICACIONES DE T

MODELOS CLIMÁTICOSAPLICACIONES PESQUERASAGRONOMICAS Y FORESTALES

Precisión en T (0,3 K a 2 K)

6

TEMPERATURA

� RESPONDER PRECISIÓN• Calibrado sensores térmicos: CD⇒R⇒T

• Detección y eliminación de nubes: (Saunders andKriebel)

• Emisividad superficie (salinidad, viento,intervalo espectral)

• CORRECCION DE LOS EFECTOSATMOSFERICOS


� METODO MONOCANAL• NECESITA RADIOSONDEO SIMULTANEO

• (poco operativo)

• METODO BICANAL (SPLIT-WINDOW)

• 2 CANALES ESTIMAN CORRECCION

• (cierto en Mar, pero Tierra efecto emisividad)

7

TÉRMICO: APLICACIONES

LANDSAT 5-TM

NOAA-AVHRR

Ecuación monocanal

θθθθθ ττε iatiatiisiiii LLTBTB ↓+↑+= )()(

Radiación emitida por la superficie y es atenuada por la atmósfera

Radiación emitida por la atmósferahacia el sensor

Radiación emitida por laatmósfera hacia abajo y es reflejada hacia el sensor

Sobrino et al. (1996)

• Transmisividad y Ta6: a través de radiosondeos atmosféricos y MODTRAN.• Emisividad: a través de la reflectividad de las bandas TM3 y TM4 (NDVI) y demedidas in situ (método de la caja, εv y εs).

)()53(1)(

)(1432.4

)53(1666

6

6

66

6666

6

66 as TTTTT −⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡ −−−+−+= τε

εθτε

θτετε

ε

( ) εεεε dPP vsvv +−+= 1 Sobrino et al. (1990)

8

Ecuación monocanal

Imagenes deemisividad ytemperatura(fecha: 4 / 7 / 96)

NDVI

TM6

Reflectividad TOA

Temp. aparente Ti

Ec. monocanal

Temp. de superficie Ts

RadiosondeoTa y τ

TM3 TM4

Reflectividad TOA

Reflectividad de superficie

Emisividad(Método de la caja)

Porcentaje de vegetación

Emisividad

La plana de Requena-Utiel

Imagen de la región (0.63-0.69μm)

•La Plana de Requena-Utiel.(1024 x 1024 pixels: 943.7 Km2)

•Fechas analizadas:16 / 7 / 8428 / 7 / 934 / 7 / 96

(Unidad de Edafología yUnidad de Cambio Global)

•Parcelas patrón.(10 x 10 pixels: 0.09 Km2)

Imagen de la región (7,4,2 RGB)

9

Aplicación

Índice de vegetación NDVI(Normalized Difference Vegetation Index)

Diferencia discriminada del NDVI (± 0.05) evolución de la región de estudio

ρρρρ

34

34

TMTM

TMTMNDVI+

−=

NDVI96(CORAL-2)-NDVI 84(CORAL-2)

<-0.05 >0.05

Evolución positiva: 53.08 %Idéntica: 40.31 %Evolución negativa: 6.61 %

intro teruel 2011 - universitat de valència · inicio (fotografÍa): plataformas rudimentarias...

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