SENSORES / IMÁGENES/ SATÉLITES

SENSORES / IMÁGENES/ SATÉLITES
Productos obtenibles a partir de los SR
Océano
Atmósfera
-
Sondeos de temperatura
Sondeos de humedad
Vientos
Nubes
Aerosoles
Balance de radiación de la Tierra
Precipitación
Ozono
-
Temperatura de superficie
Superficies con hielo
Vientos en el mar
Color del mar
Nivel del mar
Terreno
- Condiciones de la vegetación
- Características del “pack” de
nieve/hielo (albedo, temperatura
de piel, humedad del suelo, etc.)
- Localización de incendios /
Plumas de humo
Imágenes satelitales
Las imágenes son el resultado de un
instrumento Barredor (Scanner) o
Radiómetro barredor (Scanning
Radiometer). Este instrumento tiene un
campo visual angosto que barre una
superficie para producir una imagen.
Los datos de la imagen vienen
ordenados por líneas de barrido, cada
una dividida en elementos o pequeñas
muestras conocidas como píxeles o “scan
spot”.
El ancho del barrido (ancho de la
escena observada) está definido por el
ángulo (FOV).
El ángulo de observación instantáneo
(IFOV), se expresa en mrad y subtiende
un área sobre la superficie.
El punto subsatélite, es el elemento
observado cuando el sensor está
exactamente en la vertical.
Fig. 1
Características de los sensores
1. Resolución espectral
2. Resolución espacial
3. Resolución radiométrica
4. Resolución temporal
Inés Velasco
1. Resolución espectral: Definida por el ancho de banda (∆λ
∆λ)
∆λ o rango
dinámico o respuesta espectral y el número de bandas.
El ∆λ registrado por el detector, está definido por el intervalo de λ donde
la intensidad de la señal es ≥ 50% del pico de la señal.
Las bandas más angostas proveen mejor resolución y permiten separar
mejor distintos blancos. Por ej., para distinguir vapor de agua de Ci.
Fig. 2 Resolución espectral o ancho de banda de un detector.
El ancho de banda de este detector es de 10µm
2. Resolución espacial: El ángulo de apertura del sensor (IFOV),
conjuntamente con la altura del satélite, la velocidad de barrido y las
características ópticas del sensor definen el tamaño del píxel, o sea
su resolución espacial
Si el IFOV es pequeño ⇒
∆x = h∆α
h es la altitud del satélite, y ∆α ≡ IFOV.
Si el sistema de interés a observar tiene un tamaño menor que ∆x,
el sensor no lo distingue.
Es importante tener presente que el sensor hace una medición
“pesada” de la radiación saliente o reflejada de la muestra que
representa el pixel.
Inés Velasco
3. Resolución radiométrica: Número de niveles discretos en que se
puede dividir una señal. El sensor convierte la radiación recibida en una señal
eléctrica digital (0-1) para ser transmitida.
8 bit = 28 = 256 ⇒ 0 - 255 tonos de gris
10 bit = 210 = 1024 ⇒ 0 - 1023 tonos de
4. Resolución temporal: Es la frecuencia de paso del satélite por un
mismo punto de la superficie terrestre (período de revisita). Depende
básicamente de las características de la órbita.
Generación de una imagen
Fig. 3
Cuando los fotones de REM irradiados o reflejados desde la
superficie alcanzan el detector, se produce una señal eléctrica que
varía proporcionalmente al número de fotones.
Esta señal es amplificada, registrada en un soporte magnético y
utilizada después para producir una imagen.
La intensidad de la señal que llega al sensor (radiómetro)
depende de:
1. Flujo de energía,
2. Altitud del satélite
3. Ancho de banda del detector
4. IFOV
5. Tiempo que dura la observación (dwell time)
As área pequeña sobre una superficie, Ls
representa la reflexión solar, (o emisión en IR,
o reflexión o emisión en MW) que sale de esa
superficie e impacta sobre una superficie Ac del
sensor .
La señal que llega al sensor se puede expresar
como la potencia radiada (PR) o flujo
radiante, que dará información sobre la
superficie “observada" o sobre la columna de
atmósfera entre el suelo y el sensor.
PR =
δQR
dt
= Asω s Ls (γ ) cos γ
Si γ = 0 ⇒ cosγ = 1 ⇒
Fig. 4
(1)
siendo
siendo α pequeño ⇒
y siendo
⇒
Fig. 5
y siendo
Donde Ac y ωc son datos del sensor,
Ls es la señal que recibe el sensor en radiancias
en: watts m-2 sr-1
⇒
PR = Asω s Ls
(2)
Ac
ωs = 2
rs
(3)
2a = rsα
(4)
As = π a 2
(5)
PR = Ac Lsπα 2 / 4
(6)
As πa 2
ωc = 2 = 2
rs
rs
(7)
PR = Ac Lsωc
(8)
En el radiómetro, la potencia recibida PR se convierte en una señal analógica
de salida de voltaje Vo, que tiene forma binaria, y este valor digitalizado da así
un número [count value (C) o digital number (DN)], de salida, para cada píxel,
que es el valor transmitido a la estación receptora.
V0 ∝ k1 PR
C ∝ k 2V0
C ∝ k1k 2 PR
Donde las k son ctes. de calibración provistas en los manuales del usuario, y C
es así un número proporcional a la señal que llega al sensor del satélite (NO ES
UNA VARIABLE FISICA).
Por ejemplo, para el sensor AVHRR de los satélites NOAA, la señal digital es de
10 bits, esto es 210 = 1024, esto es llamado rango dinámico. Para los Landsat
es 28= 256.
Estos números representan la cantidad de valores de brillo (radiancias)
que puede distinguir el sensor.
En cada satélite, para cada sensor, existe una curva o ecuación de
calibración QUE PERMITE PASAR DE C A UNA VARIABLE FÍSICA.
0
16
?
Fig. 6
Inés Velasco
El Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR) es un ejemplo
representativo de un radiómetro barredor para un satélite en órbitas de baja altura.
Los radiómetros miden la radiación proveniente de un rango de longitudes de onda
(respuesta espectral) de cada canal y dentro de un rango de direcciones (ángulo
sólido-respuesta angular).
Todos los canales del AVHRR tienen un IFOV de 1.3 ± 0.1 mrad, a una altura de
850 km da un píxel de 1.1 km en el punto subsatélite y al final de cada línea de barrido
2.3 km.
El C1 y C2, reflectivos, son calibrados antes de su puesta en órbita, pueden
experimentar degradaciones con el tiempo. Los C3, C4 y C5, infrarrojos, se calibran
en vuelo apuntando a blancos fríos y calientes.
Los radiómetros producen dos categorías de datos:
1. Imágenes
2. Sondeos (perfiles verticales de temperatura y gases traza)
Imagen digital: Está formada por una matriz de números, llamados:
intensidades, niveles de gris, brillos... (counts, digital numbers (DN)),
que representan el valor numérico de un píxel.
Esta matriz se forma al ir el sensor barriendo píxel por píxel hasta
completar una línea de barrido (renglón). También se la llama imagen de
brillos o imagen de entrada.
Los datos que la conforman se llaman datos crudos. Este formato se lo
indica como formato raster.
Una imagen calibrada y/o procesada puede ser también archivada en
forma digital.
Imagen digital
Fig. 7
Imagen analógica
UN POCO DE HISTORIA
1840 - Se tomaron fotos desde globos con las cámaras recientemente
inventadas
1957 - Sputnik, se colocaron cámaras en una nave espacial que orbitaba
1960- Satélites Meteorológicos, TIROS I (Television and Infrared Observtion
Satellite). 1er. visión completa de un sistema integrado e inseparable de
continentes-océanos--atmósfera-biota.
1964 - NIMBUS
1966 - DMSP (Defense Meteorological Satellite Program)
1969 - Meteor (Unión Soviética)
1972 - Landsat, 1ro. Dedicado a los recursos naturales
1975 - GOES (Geoestationary Operational Environmental Satellite) Dos satélites
(en 75 y 135°W)
1977 - GMS-1 (Geoestationary Meteorological Satellite), Japón (140°E).
1978 - Meteosat-1 (ESA) Agencia Espacial Europea),geoestacionario, (0°).
1978 -SAR (Synthetic Aperture Radar), Seasat, sistema activo
1979 - India inicia sistemas de órbita polar y en 1983 Insat-1 (geoesatcionario)
en 74°E.
1984 - ERBE (Earth Radiation Budget Satellite), el 1ro. Dedicado al clima.
1986 - SPOT (Systeme Pour l'Observation de la Terre), (CNES-francés)
Polar Operational Environmental Satellite (POES)
El sistema de satélites POES provee diariamente una cobertura global
realizando diariamente unas 14,1 órbitas casi polares.
Fig. 8 Áreas cubiertas por un sensor hipotético en un satélite
meteorológico sol sincrónico (órbita casi polar). (Fuente: Kidder y
Vonder Haar, 1995)
Fig. 9 Variación de longitudes abarcadas por las estaciones
receptoras en tierra de acuerdo a la latitud de su ubicación
Para la obtención de imágenes el sistema POES posee el
instrumento: "Advanced Very High Resolution Radiometer” (AVHRR)
Tabla 1
Sistema AVHRR/3
BANDA/
CANAL
Rango
espectral (µm)
1
0.58 - 0.68
2
0.725 - 1.00
3A
1.58 - 1.64
3B
3.55 - 3.93
4
10.30 - 11.30
5
11.50 - 12.50
GOES (Geostationary Operational Environmental Satellite)
Fig. 10
La constelación de los sistemas GOES provee un monitoreo continuo de las
condiciones meteorológicas del hemisferio oeste. Éstos son operados por la
“National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA)”. Además, monitorean
el espacio, reciben y trasmiten datos de búsqueda y rescate, y reciben y
transmiten datos tomados en plataformas de superficie. Los GOES unidos a los
satélites geoestacionarios de otras agencias espaciales dan una cobertura global
del planeta.
Estos satélites están en órbitas geoestacionarias, es decir que orbitan en el
plano ecuatorial con la velocidad de rotación de la Tierra. Por lo tanto,
observan siempre la misma región sobre la superficie, desde una altura de
unos 35.800 km, permitiendo la visión completa de un disco sobre la Tierra.
GOES W
GOES E
Fig. 11. Discos “vistos” desde los satélites GOES
GOES-11 (K)
GOES-12 (L)
GOES-13 (M)
GOES-14 (N)
GOES-15 (O)
GOES-West (135W)
GOES-South America (60W)
GOES-East (75W)
en órbita en reserva (105W)
“stand-by”
http://www.oso.noaa.gov/goes/index.htm
Esta posición fija permite una vigilancia casi continua de las
condiciones de la atmósfera y detectar aquellas que pueden ser
disparadoras de tiempo y fenómenos severos tales como tornados,
granizo, huracanes e inundaciones repentinas.
Cuando estos fenómenos ocurren, los satélites GOES permiten
monitorear el desarrollo y movimiento de las tormentas y ajustar
mejor las técnicas de pronóstico.
Fig. 12
Tabla 2
Bandas y aplicaciones de los Sistema GOES K L/M
Banda (rango µm )
IFOV
Aplicación
1 (0.53 - 0.72)
1 km
Detección de nubes, contaminación, bruma e
identificación de tormentas severas
2 (3.78 - 4.03)
4 km
Durante la noche: Identificación de nieblas y
discriminación entre nubes de agua y nieve.
Durante el día: distinción entre nubes de agua y nubes
de hielo, detección de fuegos y volcanes. Obtención de la
temperatura de la superficie del mar (SST).
3 (6.47 - 7.03 ) /
(5.77 - 7.33 )
8/4 km
Estimación del contenido de humedad en los niveles
medios y seguimiento de los movimientos de la atmósfera
en esos niveles.
4 (10.21 - 11.20)
4 km
Estimación del movimiento de nubes, identificación de
tormentas severas y localización de probables lluvias
intensas.
5 (11.54 - 12.47 )
4 km
Idem
6 (12.96 - 13.72 )
8 km
Determinación de características de las nubes (por
ejemplo: presión del tope).
Fig. 13
GOES-R es la próxima generación, con la cual se proyectan avances
tecnológicos de calidad y cantidad de datos meteorológicos y ambientales.
MODIS es un sistema casi operativo, se introduce a modo informativo,
notar el gran número de bandas.
Direcciones que se recomiendan visitar para obtención de
información actualizada del estado actual de los sistemas y
para adquisición y/o visualización de imágenes.
http://www.nesdis.noaa.gov/
http://www.eumetsat.int/
http://www.cptec.inpe.br/
http://www.smn.gov.ar/