Guia Teorica Sensores Remotos

7/23/2019 Guia Teorica Sensores Remotos

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Curso SoPI: Introduccin a la Teledeteccin

Gua Terica - Sensores Remotos
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I. Interaccin energtica

Los sensores, ya sean: terrestres, aerotransportados o satelitales, detectan energa en forma de

radiacin. Aquellos sensores que no poseen su propia fuente de radiacin se los clasifica como pasivos.Los sensores pasivoscaptan energa que es emitida mayoritariamente por el Sol.

Emisin solar

El Sol emite energa en forma de radiacin como luz, calor, rayos ultravioletas, ondas de radio,

microondas, rayos X y gamma, etc. Todas estas radiaciones poseen diferentes longitudes de onda y en su

totalidad conforman una serie continua que se denomina espectro de emisin solar. Nuestros ojos

evolucionaron para ver una pequea parte de este espectr o electr om agntic o, justamente aquella en la

cual el Sol emite con mayor intensidad. Otra porcin del mismo es percibida por la piel como calor.

Figura 1.Espectro de emisin solar, destacando la pequea porcin visible por el ojo humano, y explicacin de las

unidades de longitudes de onda ms utilizadas en teledeteccin.

Espectro electromagntico

El espectro electromagntico se clasifica en las siguientes regiones, cada una de menor energa que la

anterior: Rayos csmicos, gamma y X, ultra violeta (con frecuencias por encima del azul lejano o violeta),

el espectro visible, el infrarrojo (con frecuencias por debajo del rojo) y finalmente las microondas

(utilizadas por el radar) y las ondas de radio. El infrarrojo se divide a su vez en infrarrojo cercano

(conocido como NIR por sus siglas en idioma ingls), in f rarro jo de ond a corta(SWIR), infrarrojo medio

(MIR) e in fr arr oj o trm ico(TIR).

Ventanas atmosfricas

Una vez que la radiacin solar penetra en la atmsfera terrestr e, parte es reflejada, parte es absorbiday otra parte es dispersada por la misma. La incidencia de cada uno de estos fenmenos depende del tipo


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de radiacin penetrante (por ejemplo, la capa de ozono absorbe gran parte de la radiacin ultravioleta). El

resto de la radiacin es transmitida por la atmsfera, y sigue su trayecto hacia la superficie terrestre.

Figura 2.Interaccin de la radiacin solar con la atmsfera terrestre.

En la siguiente figura puede observarse la tran sm isi vid ad atm os frica, es decir la proporcin de

radiacin que la atmsfera deja pasar, en funcin de la longitud de onda. Como se ve, existen ciertasventanas atmosfricas, en las cuales la influencia de la columna de aire puede considerarse menor. Por lo

tanto, la mayora de los sensores miden energa dentro de estos rangos de longitudes de onda.

Figura 3. Ventanas atmosfricas.


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Interaccin con la superficie terrestre

Despus de atravesar la atmsfera, entonces, la radiacin solar incide sobre la superficie de la Tierra.

Nuevamente, parte es absorbida y parte reflejada. La parte reflejada vuelve a la atmsfera, y trasatravesarla total o parcialmente puede ser capturada por un sensor remoto pasivo.

Figura 4.Interaccin de la radiacin solar con la atmsfera y la superficie terrestre.

La interaccin entre la radiacin y cualquier superficie involucra fenmenos de reflexin y absorcin.

Los casos extremos seran los de reflexin total y absorcin total. En el primero, toda la radiacin incidente

en la superficie es reflejada de vuelta hacia el medio original. En el segundo, en cambio, toda la energa

incidente en la superficie es absorbida por sta, y nada vuelve directamente al medio. Un caso ms comn

es la reflexin y absorcin parcial, en la que parte de la radiacin es absorbida y parte es reflejada hacia el

medio. As, puede definirse la reflectancia (p), como el cociente entre la radiacin reflejada (R) y la

incidente (I). Por lo tanto, esta magnitud adimensional adopta valores entre 0 y 1, y ser mayor cunto ms

energa sea reflejada. Para el caso de reflexin total es 1; para el de absorcin total, 0.

Figura 5. Interacciones entre la radiacin electromagntica y una superficie.


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El tipo de interaccin predominante depende de la longitud de onda de la radiacin y del material

de la superficie. Cada material (sea suelo, roca, un espejo de agua, vegetacin, nieve o hielo, materiales

construdos por el hombre, etc.) posee una reflexin y una absorcin selectiva de cada longitud de onda.

Conociendo esa informacin, es posible entonces discriminarlos en base a esto. Este es uno de losprincipios de la teledeteccin.

Firma espectral

Teniendo esto en cuenta, se pueden construir

grficos de reflectancia en funcin de la longitud de

onda. Estos grficos, conocidos habitualmente como

f i rmas espectrales, brindan informacin sobre el

comportamiento espectral de un objeto o fenmeno.

Su utilidad reside en que, como el comportamientoespectral puede ser caracterstico de cada material,

brinda informacin sobre qu longitudes de onda

sirven para identificarlo.

Visin humana

El o jo humano percibe solamente ciertas longitudes de onda. Posee varios tipos de clulas

fotosensibles, entre las cuales se destacan los conos y los bastoncillos. Los bastoncillos detectan un

rango ms extenso de longitudes de onda y poseen mayor sensibilidad (lo que los hace especialmentetiles para la visin nocturna), pero no permiten discriminar entre diferentes longitudes. Esa tarea est

reservada a los conos, de los cuales hay tres tipos diferentes: los ms comunes son sensibles a la luz

correspondiente al color rojo, siguen en abundancia los sensibles a la luz verde y finalmente a la luz azul.

Teora del color

Todos los colores que vemos son sumas relativas de estos tres colores. Es por eso que al rojo, verde y

azul se los conoce como colores primarios por adicin. Por ejemplo, el cian es la suma de iguales

intensidades de componentes verde y azul (y carencia absoluta de componente rojo); el magenta lo es de

rojo y azul (y falta de verde), y el amarillo es la suma de rojo y verde (sin azul).

Figura 6.Firmas espectrales de minerales de arcilla.

Figura 7.Crculo cromtico con lasinteracciones entre los tres colores

primarios por adicin.


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II. Caractersticas de las imgenes

Las escenas provenientes de sensores remotos poseen ciertas caractersticas espectrales y

radiomtricas que las diferencian de otras imgenes digitales de uso comn. Estas caractersticaspermitirn adecuar su uso a diferentes aplicaciones en teledeteccin.

Canales o bandas espectrales

Con el fin de determinar mejor las caractersticas espectrales del objetivo, y teniendo en cuenta las

ventanas atmosfricas, las misiones de observacin de la Tierra se disean de tal manera de obtener

informacin que exceda los lmites de la visin humana. Generalmente los sensores capturan datos en

varios canales dentro del rango visible (adems de rojo, verde y azul que podemos ver con nuestros ojos)

y tambin dentro del infrarrojo. Cada uno de estos canales discretos toma informacin en un pequeo

rango de longitudes de onda, y la misma constituye una imagen independiente, llamada banda, en escalade grises.

Figura 8.Bandas de una imagen de la misin LandSat-7 ETM+, y la ubicacin de los canales dentro del espectroelectromagntico: hay tres bandas en el visible y cuatro en el infrarrojo.

Un video explicativo mostrando el esquema de un sensor (y su comparacin con la visin humana) y la

captura de imgenes puede verseaqu.
http://youtu.be/968hbjNrszMhttp://youtu.be/968hbjNrszMhttp://youtu.be/968hbjNrszMhttp://youtu.be/968hbjNrszM


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Resolucin espectral

Las especificaciones de las bandas definen la resolucin espectral de un sensor y sus imgenes.

Rango espectral: Regiones del espectro electromagntico en las cuales los detectores del

sensor captan energa.

Respuesta espectral: Sensibilidad del

sensor a las diferentes longitudes de onda.

Cantidad de bandas: Nmero de canales

en los cuales se divide el rango espectral.

Ancho de banda: Intervalo del espectro

donde el canal es sensible. Depende de la

respuesta espectral.

Centro de banda:Longitud de onda central

del ancho de banda.

De acuerdo a estos parmetros, los sensores y sus imgenes se clasifican en:

Multiespectrales: Con pocas bandas (entre tres y una decena), anchas y con sus centros

espaciados de acuerdo a las ventanas atmosfricas. La mayora de los satlites de observacin

cargan sensores de este tipo.

Pancromticos:Poseen una nica banda muy ancha, generalmente centrada en el visible o en

el infrarrojo cercano. Generalmente se utilizan para tomar imgenes de muy alta resolucin

espacial.

Hiperespectrales: Poseen muchas bandas (suelen tener ms de 100), angostas y centradas

regularmente. Muchos sensores aerotransportados son de esta clase.

Selectivos o de rango medio:Con cierta cantidad (unas 20, 30 o 40) de bandas angostas,

espaciadas irregularmente con el fin de detectar objetivos determinados.

Figura 10.Respuesta de las bandas de un sensor multiespectral (arriba),

de uno hiperespectral (medio) y de uno pancromtico (abajo).

Figura 9.Respuesta espectral de una banda, consu correspondiente ancho y centro.


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Descomposicin de una imagen color

Una imagen a color est compuesta por tres bandas en escala de grises, cada una correspondiente a

uno de los tres colores a cuyas longitudes de onda son sensibles nuestros ojos: rojo, verde y azul. Debidoentonces a estas limitaciones espectrales de la visin humana, tres es la mxima cantidad de bandas que

podemos ver simultneamente. De la misma forma, las pantallas y caones de proyectores poseen

nicamente elementos de color en esos tres colores. Podra decirse que cada uno de estos tres caones

emite una imagen en escala de grises, y los colores son reconstruidos por adicin de acuerdo a la teora

del color.

Figura 11.Una antigua imagen a color generada a partir de la proyeccin simultnea, con lmparas azul, verde y

roja, de las tres imgenes en escala de grises tomadas con los filtros respectivos.

Figura 11.Una antigua imagen a color generada a partir de la proyeccin simultnea, con lmparas azul,

verde y roja, de las tres imgenes en escala de grises tomadas con los filtros respectivos.


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Combinacin de bandas

Sin embargo, los sensores generalmente poseen ms de tres canales, lo que implica que las imgenes

son multibanda. Para paliar la limitacin en la visin humana es entonces que se trabaja con diferentescomposiciones de bandas, siempre asignando hasta tres bandas a la vez, una a cada can o color

primario de la pantalla.

Reginespectral

CBERS-2BCCD

EO-1ALI

LandSat1/2/3/4/5

MSS

LandSat-5TM

LandSat-7ETM+

LandSat-8OLI

TerraAqua

MODIS

SAC-CMMRS

SPOT-5HRG

Visible

Azullejano

Banda 1(443)

Banda 1(443)

AzulBanda 1

(485)Banda 2

(483)Banda 1

(485)Banda 1

(483)Banda 2

(483)Banda 3

(469)Banda 1

(490)

VerdeBanda 2

(555)Banda 3

(565)Banda 1

(550)Banda 2

(560)Banda 2

(561)Banda 3

(561)Banda 4

(555)Banda 2

(550)Banda 1

(550)

Rojo Banda 3(660)

Banda 4(660)

Banda 2(650)

Banda 3(660)

Banda 3(660)

Banda 4(655)

Banda 1(645)

Banda 3(660)

Banda 2(650)

Infrarrojocercano

Banda 5(790)

Banda 3(750)

Banda 3(750)

Banda 4(830)

Banda 6(868)

Banda 4(830)

Banda 4(838)

Banda 5(865)

Banda 2(859)

Banda 4(815)

Banda 4(950)

Banda 4(950)

Banda 7(1250)

Banda 5(1240)

Banda 9(1373)

Infrarrojo

de ondacorta

Banda 8(1650)

Banda 5(1650)

Banda 5(1650)

Banda 6(1609)

Banda 6(1640)

Banda 5(1625)

Banda 9(2215)

Banda 7(2215)

Banda 7(2200)

Banda 7(2201)

Banda 7(2130)

Cuadro 1.Bandas en las imgenes de algunas de las misiones de observacin de la Tierra ms comunes.Ntese que NO existe una convencin de nombres de acuerdo a su posicin en el espectro.

De esta forma, pueden definirse varias combinaciones de bandas, cada una con un determinado

empleo, de acuerdo a las longitudes de onda de las bandas consideradas. Por ejemplo:

Composicin en color natural:rojo (~655 nm)-verde (~560 nm)-azul (~485 nm).

Composicin infrarroja color:infrarrojo cercano (~840 nm)-rojo-verde.

Composicin en falso color real:infrarrojo de onda corta (~1650 nm)-infrarrojo cercano (~840nm)-verde.

Figuras 12. a/b/c.La misma escena LandSat-8 OLI en tres combinaciones de bandas diferentes:

color natural (izquierda), infrarroja color (centro) y falso color real (derecha),

esta ltima denominada as porque pareciera mostrar colores reales.


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Nmero digital (DN)

A cada pxel de una banda corresponde un valor numrico en la matriz de filas y columnas. Este valor

se denomina nmero digital (DN).

Figuras 13. a/b.Imagen en escala de grises (izquierda) y la correspondiente matriz de DNs (derecha).

Los datos contenidos en las celdas pueden ser de diferentes clases: nmeros naturales, enteros con

signo, fracciones en punto flotante, etc. El tipo de dato de una imagen digital se elige en concordancia con

la clase de valores y el rango de la magnitud representada por la misma, y tiene influencia en el peso de

cada banda, segn la cantidad de bits necesarios para registrar ese rango de manera binaria. La imagen

del ejemplo posee DNs enteros entre 0 (negro) y 255 (blanco), que pueden describirse con 8 bits: 28 =

256.

Resolucin radiomtrica

De acuerdo al rango dinmico de un sensor y a su relacin ruido/seal, puede definirse una resolucin

radiomtrica, que quedar cristalizada en las imgenes como una profundidad de bits.

Rango dinmico: Intervalo de energas que puede captar el sensor (generalmente estn

expresados en potencia por superficie o en potencial elctrico).

Relacin ruido/seal (SNR): Cociente entre los valores tpicos de ruido y de seal en un

sensor.

Profundidad de bits (bit depth):Cantidad de valores que puede registrar el DN en la imagenresultante, expresados en potencias de dos.


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Histograma de una imagen

A partir de los DNs contenidos en cada banda de una imagen digital o fraccin de la misma puede

construirse un histograma. La informacin sobre la distribucin de frecuencias permite inferir algunos datosa partir de la radiometra, como ser la homogeneidad o heterogeneidad de componentes, condiciones de

iluminacin, sombreado topogrfico, presencia de nubosidad, etc.

Figuras 14. a/b.Banda en escala de grises con sus DNs (izquierda) y su histograma respectivo (derecha).

Realces de histograma

Independientemente del tipo de dato contenido en una imagen, la visualizacin en pantalla u otros

perifricos se realiza en escalas de grises de 256 valores (8 bits) por canal: desde 0, que corresponde al

nivel ms oscuro (negro) hasta 255, que es el nivel ms claro (blanco). Por lo tanto, es necesario aplicar

una funcin de distribucin de los valores originales de entrada a esta escala de salida. Estas funciones se

conocen como realces de histograma.

Figuras 15. a/b.Realces de histograma aplicados sobre una escena de 10 bits (1024 valores):- realce lineal entre los DNs mnimo y mximo (izquierda), y

- realce lineal 2%, estrechando la funcin lineal entre el 2% de valores mnimos y el 2% de mximos.

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