1 Introducció i fonaments físics de la Teledetecció

1. 1 Introducció i fonaments físics de la Teledetecció

2. Concepte de Teledetecció • Adquisició de informació d’un objecte a distància, sense que hi hagi contacte material entre l’objecte o sistema observat i l’observador. • Aquesta informació es processada i interpretada per produir dades útils per a la seva aplicació a l’agricultura, geografia, geologia, meteorologia, oceanografia, etc.

3. El fet de que la informació s’obtengui a distància, sense contacte material, no implica que no existeixi interacció física. L’objecte “pertorba el medi”, de manera que hi ha una energia que pot ser: electromagnètica, acústica, gravitatòria, etc, que es recollida pel sensor. • El cas de transmissió d’energia electromagnètica (REM) és el més habitual en Teledetecció.

4. La tècnica de la Teledetecció es basa principalment en la mesura de la radiació electromagnètica rebuda en un sensor (radiòmetre). Aquesta radiació procedent dels cossos observats hi pot arribar després de varis processos diferents: • Emissió: Radiació emesa pel propi cos , ja que tots els cossos amb temperatura major que 0º Kelvin, emeten radiació. • Reflexió: Radiació procedent d’una font i que es reflexa al cos. • Dispersió: Radiació que incideix damunt les partícules i gasos atmosfèrics i posteriorment es difosa per aquests en totes les direccions com a radiació difusa.

5. Teledetecció espacial La percepció visual de les persones es veu limitada per dues raons principals: • Per una part, l’ull humà només és sensible a radiacions d’una determinada zona del espectre electromagnètic anomenat, precisament per això, espectre visible de 0.4 a 0.7 micròmetres. • Per altra, degut a la nostra alçada, obtenim una observació obliqua i limitada del territori. • Els sensors dels satèl·lits artificials permeten superar aquestes dues limitacions perquè son sensibles a d’altres tipus de radiacions (infraroges, microones, etc.) y, per la distància a la que estan situats respecte de la superfície de la Terra, obtenen una visió ortogonal i sinòptica del territori.

6. Concepte de teledetecció espacial • Grup de tècniques d'adquisició d’imatges de la superfície de la terra des de sensors instal.lats en plataformes espacials (satèl·lits) en virtut de la interacció electromagnètica existent entre la superfície i el sensor, y el seu posterior tractament mitjançant sistemes informàtics.

7. Exemples: ·Fotografia aèria: Determinació de superfícies de solars en una urbanització. · Imatges de satèl·lits meteorològics: Anàlisi de situacions meteorològiques, distribució i característiques de la nigulositat en una zona determinada. ·  Radar: localització i reconeixement d’avions.

8. Avantatges de la Teledetecció espacial • Cobertura global i periòdica de la superfície terrestre, incloses de àrees inaccessibles (zones polars o desèrtiques). • Visió panoràmica de grans superfícies en una sola imatge. • Homogeneïtat de la presa de dades, un únic sensor per tota la superfície detectada. • Informació en regions dels espectre no visible, detectant problemes imperceptibles amb l’ull humà. • El format digital agilita el seu tractament i redueix costos.

9. Aplicacions Terrestres de la Teledetecció: • Meteorologia: Interpretació de las situacions meteorològiques, determinació de la alçada dels niguls, velocitat dels vents, perfils de temperatures, contingut de vapor d’aigua a l’atmosfera, etc. • Oceanografia: Temperatura de la superfície del mar, corrents oceàniques, etc. • Glaciologia: distribució i moviments de masses de gel tant continental com oceànic. • Geologia, geomorfologia, geodèsia: identificació dels tipus de roques, localització de falles, observació de moviments tectònics. • Topografia i cartografia: obtenció de dades fiables referides a un sistema de coordenades, producció i revisió de mapes... • Arqueologia: Localització d’antics camins i construccions. • Biologia: Determinació de biomassa disponible, etc.

10. Agricultura, producció forestal i botànica: tipus de cobertura vegetal i estat sanitari, identificació de plagues, mapes de sols i contingut en humitat, predicció de les collites... • Hidrologia: determinació dels recursos hidrològics, predicció de avingudes per desgel. • Controls de desastres naturals: avisos de tempestes, allaus, despreniments, inundacions Control de la pol·lució, Determinació d’àrees de alt risc d’incendi forestal. • Aplicacions en planificació: inventaris del us del sol i control de canvis, determinació, de recursos, vigilància del tràfic....

11. Altres exemples de Teledetecció:

12. Parts d’un sistema de Teledetecció: • Una font de radiació. • L’atmosfera. • Interacció de la radiació amb l’objecte (per exemple la superfície de la Terra). • Captació de l’energia per un sistema sensor. • Interpretació i anàlisi.

13. Font de radiació: • Natural, com el sol, llavors es tracta de llum reflexada (radiació solar). • Superfície de la Terra, en aquest cas es tracta de llum emesa (radiació tèrmica). • Artificial: Construïda per l’home, és el cas del RADAR (radiació en microones).

14. Interacció amb l’objecte. • En Teledetecció Terrestre l’objecte és la Terra, tant la seva superfície com l’atmosfera. • També se poden estudiar amb tècniques de Teledetecció les superfícies i atmosferes d’altres planetes.

15. Interacció amb la superfície Terrestre. • La quantitat i característiques de la radiació emesa o reflexada per la superfície de la Terra depèn de les característiques dels objectes que hi ha damunt la superfície de la Terra. • Per exemple: No reflexa la mateixa quantitat d’energia la superfície del mar que una superfície de neu o gel. • Anomenem albedo (a) de una superfície a la fracció de l’energia que es reflexa:

16. Quan la radiació solar arriba a un objecte pot sofrir tres camins: • Reflexió: la radiació és reenviada a l’espai. • Absorció: la radiació passa a incrementar l’energia de l’objecte. • Transmissió: La radiació es transmet cap avall a d’altres objectes. • Albedo (a) fracció de l’energia que es reflexa. • Absortivitat (r): fracció que es s’absorbeix. • Transmissivitat (t): fracció que es transmet. • Es compleix que a + r + t = 1

17. Interacció amb l’atmosfera • L’atmosfera és a la vegada objecte d’observació i mitjà per on es transmet la radiació. • Està formada bàsicament per: • Gasos: Oxigen, Nitrogen, vapor d’aigua, ozó, etc. • Aerosols: Gotes i cristalls d’aigua en suspensió (niguls), pols, sals, i fums (partícules sòlides). Aquests components interaccionen amb la radiació electromagnètica: la reflexen, absorbeixen, transmeten i dispersen.

18. La dispersió • Les partícules atmosfèriques sotmeses a la radiació electromagnètica dispersen la radiació en totes direccions creant la radiació difusa. • Aquest procés depèn del tamany de les partícules, la seva abundància,la longitud d’ona i la profunditat de atmosfera o mitjà que ha d’atravessar lar radiació. • Hi ha dos tipus de dispersió: • De Rayleigh: Produïda per partícules de radi molt més petit que la longitud d’ona de la radiació incident (molècules de O2 y N2). D~1/l4 . És la responsable del color blau del cel. • De Mie: Produïda per partícules més grosses, com les gotes d’aigua i afecta a totes les longituds d’ona. Es la responsable del predomini de la llum blanca en dies ennigulats.

19. Distribució vertical de l’atmosfera Troposfera 0 –50ºC Estratosfera fins a 0ºC Mesosfera fins a –90 Termosfera, augmenta progressivament amb l’altura.

20. El sistema sensor • El sistema sensor (o simplement el sensor) està format per instruments capaços de detectar la REM en un determinat interval de longituds d’ona, i la converteixen en una magnitud física que pot ser tractada i emmagatzemada. • En Teledetecció s’utilitzen radiòmetres, ràdars, càmeres fotogràfiques, etc.. • Hi ha sensors passius i sensors actius:

21. Passius: reben radiació provinent d’una font: el Sol o la Terra. • Actius: El propi sensor emet radiació que retorna al sistema sensor després d’haver interactuat amb l’objecte.

22. Processament i interpretació de les dades • Degut a la complexitat del processament e interpretació de dades i la dificultat de la diferenciació entre ells, s’han definit certs límits entre les dades interpretades i les processades: • Dades primàries: son dades adquirides per sensor remots y que són transmeses a terra. • Dades processades: són el resultat del processament de les dades primàries per a fer-les útils i utilitzables. • Informació analitzada: Es la informació resultat de la interpretació de les dades processades, dades introduïdes i propietats conegudes des de altres fonts.

23. La Radiació Electromagnètica (REM) • Les formes de propagació de l’energia són: • Conducció: És la transmissió per contacte, es tracta d’un procés a nivell molecular. • Convecció: Moviment de massa, és típica en els fluïds. • Radiació: La REM transporta energia a traves del buit o d’altres mitjans materials a una velocitat de 3 *108 m/s (velocitat de la llum). Tots els cossos a una temperatura superior als 0º K emeten REM • Les ones electromagnètiques estan formades per un camp elèctric i un magnètic perpendiculars entre si i perpendiculars ambdós a la direcció de propagació

24. f=1/T c= l /T c=lf • Característiques de les ones electromagnètiques. • Longitud d’ona (l): distancia entre dos màxims consecutius (en radiació la unitat bàsica és el micrómetre, mm) • Freqüència: (f): número de màxims que passen per un punt fix en un interval determinat (Es mesura en Hertz = seg-1). • Període (T): Temps que tarda en passar per un punt fix una oscil·lació completa. (es mesura en segons) • Relacions:

25. L’energia és emesa en forma de unitats bàsiques anomenades fotons, de tal forma que l’energia d’un fotó està relacionada amb la seva freqüència de la forma: E= hf = hc/l h és la constant de Planck h=6.6256*10-27 erg* s= 6.6256*10-34 J*s Llavors l’energia és proporcional a la freqüència y a l’invers de la longitud d’ona.

26. Com hem vist tots els cossos a una temperatura superior a 0 ºK emeten energia electromagnètica. Aquesta emissió no és a una sola longitud d’ona, sinó que es produeix en un ample espectre de longituds d’ona. Per l’estudi de la radiació electromagnètica s’utilitza el concepte de “cos negre”. Que és un cos hipotètic que absorbeix tota la radiació incident i que emet la mateixa quantitat de radiació, en totes les longituds d’ona (es diu que és un perfecte emissor). Per a aquests tipus de cossos l’energia emesa depèn de la longitud d’ona i de la temperatura d’emissió d’aquest cos com es veu a la llei empírica de Planck

27. Llei de Planck • E l en Wm-2mm-1 i l en mm • C1= 3.74151*1016 Wm2 • C2= 1.43879 * 104mm K

28. L’espectre electromagnètic • L’ull humà és un sensor capaç de detectar radiació en el rang del visible. Aquest rrang representa una petita part de l’espectre electromagnètic entre les longituds d’ona 0.4 i 0.78 mm.

29. Regions de l’espectre electromagnètic Raigs gamma <0.03 nanómetres Raigs X 0.03 - 3 nanómetres ultraviolada 3 nanómetres - 0.4 micròmetres Coincideix amb les longituds d’ona on la radiació solar és màxima. visible 0.4 - 0.7 mm Capaç de discriminar masses vegetals i concentracions de humitat. Infraroig pròxim 0.7 - 1.3 mm ES mesclen els processos de reflexió de la llum solar i de emissió de la superfície de la terra. Infraroig mig 1.3 - 3.0 mm Emissió terrestre I dels niguls, dóna informació de Temperatures. Infraroig tèrmic o llunyà 3.0 - 5.0 mm y 8 - 14 mm Quasi transparent a la cobertura nigulosa. microones 0.3 - 300 cm.

30. L’espectre visible

31. Principis físics de la REM • Donat un cos negre, sigui Q (Joules, J) la quantitat d’energia radiant emesa pe’l cos. • Definim: • Flux radiant: (Js-1=Watts) Emissivitat e Sigui Qn (T) l’energía emesa per un cos negre ( és una energia teòrica i és la màxima possible), i Qe(T) l’energia emesa per un cos real a la mateixa temperatura. Definim emissivitat com: E= Qe(T) / Qn (T) Segons això 0<= e <=1

32. Tenim per tant: • Cos negre o radiador perfecte: e =1 • Cos gris: e entre 0 i 1 • Reflector perfecte: e = 0 • Radiador selectiu el = f(l), l’emissivitat depèn de l.

33. Intensitat radiant (I): • És el flux radiant per unitat d’angle sòlid. • I=f/Wes mesura en W amb estereoradians. Emitància o Irradiància: Emitància monocromàtica: És el flux radiant per unitat d’’area (W/m2)

34. Llei de Wien:

35. E=sT4 Surt d’integrar la Llei de Planck s=5.6697 x 10-8 Wm-2K-4 • Llei de Estefan-Boltzman:

36. Interacció de la REM amb l’atmosfera La radiació que interacciona amb l’atmosfera es pot classificar segons el seu origen. • Radiació solar: Radiació directa procedent del sol amb máxima energía per a longituds d’ona del visible. • Radiació terrestre: Radioació emesa per la superfície de la terra amb máxima energia a l’infraroig tèrmic.

38. Aplicant la llei de Wien surt T=6000 ºK • La constant solar S és la irradiància solar al cim de l’atmosfera. • S=1.88*103 Wm-2

39. Tots dos tipus de radiació es veuen sotmeses a fenòmens d’absorció i de dispersió pels components atmosfèrics. Com hem vist la dispersió i absorció, depenen de la longitud d’ona, i dels gasos presents a l’atmosfera. Per tant la teledetecció es veu dificultada en aquells llocs de l’espectre electromagnètic on actuïn aquests processos.

40. Composició de l’Atmosfera: • Components fixes: N 75 %, O 21 % , altres menys importants • Components variables: màxim 4 %: H20(Aigua), O3 (Ozó), CO2 (Anhídrid Carbònic). • Aquests elements variables són els més importants des de el punt de vista meteorològic Absorció: • En la absorció part de l’energia electromagnètica passa a energia interna de la molècula. Per tant es dificulta o atenua totalment la transmissió de la radiació. L’atmosfera es comporta com un filtre selectiu a distints longituds d’ona: És transparent per determinades longituds d’ona i opaca per altres. • Els principals absorbents són: el vapor d’aigua, l’anhídrid carbònic, l’oxigen i l’ozó.

41. Dispersió:

42. Les finestres atmosfèriques són aquelles porcions de l’espectre electromagnètic que es troben lliures de dispersió o absorció. Es a dir són zones on la transmisió de l’energia des de la superfície fins al sensor és màxima. • En canvi aquelles porcions o l’absorció és màxima degut a un gas determinat són propícies per a la detecció de les concentracions d’aquest gas.

43. Espectre de transmissió d’energia

44. Espectre d’absorció de tres gasos: Ozó, CO2 i vapor d’aigua.

45. La difusió i absorció provoquen una disminució del contrast de les imatges, i una disminució de la radiació que retorna al satèl·lit. • En el cas de imatges Infraroges, la Temperatura aparent (temperatura que es calcula des del satèl·lit) de la superfície és menor

46. Propietats espectrals de la superfície terrestre. Albedo: fracció de l’energia incident que es reflexada per les superfícies.

47.  L’albedo canvia amb la longitud d’ona. Signatura espectral: Es la resposta de distints materials de la superfície de la terra a la radiació reflexada, en funció de la longitud d’ona.

48. Utilitzant les característiques de les signatures espectrals de diferents materials se’ls pot identificar i estudiar, des de un satèl·lit equipat amb els sensors adequats.

49. Absorció atmosfèrica: • Hipòtesis: • La absorció és proporcional a • La radiació incident. • Al camí recorregut en el gas. • Al nombre de molècules absorbents (densitat) fAngle cenital Integrant entre un nivell z fins al cim de l’atmosfera: Llei de Beer, amb

50. Espessor òptic. Definim Transmitància per tant la absortància o coeficient d’absorció serà: si kl no depèn de la altura amb que s’anomena camí òptic, té unitats de densitat superficial.