Radiometria

INTRODUCCIÓN A LA
TELEDETECCIÓN CUANTITATIVA
Haydee Karszenbaum – Veronica Barrazza
haydeek@iafe.uba.ar
vbarraza@iafe.uba.ar
Clase 1.4: radiometria
1
Teledetección cuantitativa
Qué es teledetección?: “sistema”
Este proceso es un “sistema”
con una entrada (energía solar)
y una salida (información).
Cada componente del sistema
modifica y/o agrega a la señal
inicial.
Geometrías de iluminación/observación
El sol como fuente de energía,
Transmisión de la radiación solar a través de la
atmósfera, y su interaccion Interacción de la
radiación solar con la superficie,
Transmisión de la radiación solar reflejada en la
dirección
del sensor,
Intercepción de la radiación por el sensor y
Análisis/desarrollo de una aplicación.
Cada componente tiene su
propia función de
transferencia (TF).
Si bien es un concepto
asociado a la teoría de
procesamiento de imágenes y
de señales, la idea es que la
atmósfera, la superficie
terrestre, y la electrónica
(el sensor) modulan el flujo
de energía a través del
sistema.
Podemos entonces hablar de
una función de transferencia
de la atmósfera, de la
superficie y de los
instrumentos.
El sol
Conocer los efectos de los cambios en la posición del sol
(ángulos cenitales y acimutales), el tamaño de las sombras, y su
dirección y la cantidad de energía que llega a cada superficie en
particular.
La atmósfera
La atmósfera modula la energía solar entrante a través de procesos de
absorción y dispersión que se producen antes de que la energía interactúe
con la superficie terrestre.
La superficie
La interacción de la energía solar con los materiales de la superficie
también podría ser vista como una modulación. Múltiples factores
contribuyen a esta modulación, en particular en vegetación.
La atmósfera nuevamente
La energía solar después de interactuar con la superficie terrestre,
nuevamente es reflejada por la atmósfera. Otra vez la señal es modulada ya
que la radiación es absorbida y dispersada por los componentes atmosféricos.
En este caso, el resultado es el agregado de la señal atmosférica (bruma por
ejemplo) a la información que salió de la superficie.
El sistema (satélite-sensor)
El sistema con su óptica, detectors y elctrónica convierte energía de una
forma en otra.
 Los sensores convierten la energía radiante en energía eléctrica. La
salida del sensor es un voltaje.
El proceso de teledetección
La modulación de la energía del sol,
esto es, la atmósfera, el blanco y el
sistema electro-óptico es un proceso.
Una medida radiométrica expresada
como un pixel puede verse como la suma
de la información deseada más ruido.
Un objetivo importante es emplear
técnicas que produzcan un sistema de
alta fidelidad: herramientas que
reproduzcan la información deseada de
la mejor manera posible.
Interacción de la radiación em con la materia: magnitudes
¿Cómo se
distribuye la
energía que
llega del sol?
Principio
Principiode
deconservación
conservaciónde
delalaenergía
energía
Ei  Er  Ea  Et
Ea
Et
Er



Ei
Ei
Ei
Interacción de la radiación em con la materia: magnitudes
: es la relación entre la energía reflejada por la
superficie y la energía incidente sobre la
superficie
: es la relación entre la energía absorbida por la
superficie y la energía incidente sobre la
superficie
: es la relación entre la energía transmitida por
la superficie y la energía incidente sobre la
superficie
Reflectancia: magnitud física en las bandas ópticas
factores que
intervienen
Magnitudes físicas: irradiancia (sol) y radiancia (blanco)
E (W m -2 μm-1)
L (W m -2 μm-1 sr -1)
Irradiancia solar hemisférica
Radiancia direccional
Radiancia : geometría de observación
θ = ángulo cenital del sensor
Φ = ángulo acimutal del sensor
dω = diferencial de ángulo sólido
• Radiancia es la energia por
unidad de angulo solido medida
(para una determinada longitud
de onda)
• W/m2/sr/µm
Magnitudes físicas: irradiancia y radiancia
que se mide en
Interacción de la radiación em con la materia: magnitud
teledetección óptica
Er ( )
 
100
Ei ( )
Reflectancia espectral:
teledetección óptica!!!!!!
magnitud
clave
en
Reflectancias: parámetros que intervienen
M
 
E
TOA
2
d
1
  .L. .
E0 cos 
Píxel
Características de la cobertura: tipo de reflector
Lambertiano (distribución isotrópica de la
radiancia del blanco), sino es isotrópico, se
clacula el BDRF (bidireccional reflectance
factor)
Obtención de radiancias : comparación entre TM e IKONOS
TM /ETM
L  Gain  DN  Bias
IKONOS
Correcciones radiométricas:
Obtención de las radiancias medidas
por el sensor
L  Gain  DN  Bias
 LMAX   LMIN 
L  
QcalMAX


Qcal  LMIN 

L = Radiancia espectral en el sensor [W m-2 sr-1 m-1]
QcalMIN = Valor mínimo del pixel en contaje min(Qcal)
LMIN = Radiancia espectral escalada a QcalMIN [W m-2 sr-1 m-1]
LMAX = Radiancia espectral escalada a QcalMAX [W m-2 sr-1 m-1]
Características
Características
Conatjes digitales y radiancias
Reflectancia: factores que intervienen
Radiación em y la atmósfera: gases que absorben
Jensen, 2000, 2006
Resumen
 Región visible – En la ausencia de nubes, la región visible se caracteriza por la
transparencia de la atmósfera o ventanas. Los procesos de scattering Rayleigh
por gases y Mie por aerosoles constituyen los procesos dominantes.
 Región infrarroja – Los sistemas pasivos en la región de 0.70 a 4 µm miden
predominantemente radiación solar reflejada durante el día, mientras que la
zona de 4 a 22 µm está dominada por emisión térmica. La absorpción molecular
es significativa. La dispersión Rayleigh es despreciable con respecto a la
dispersión Mie.
Efecto atmosférico
1) atenúa,
reduce la
energía que
ilumina el objeto
y la que se
refleja del
objeto
(absorción).
visible
infarrojo
2) actúa
también como un
reflector,
agregando una
radiancia
atmosférica
(dispersión, path
radiance).
Estrategias sencillas para la corrección atmosférica
Los modelos sencillos de corrección atmosférica asumen lo
siguiente:
- interacciones simples y no múltiples.
- la contribución de la atmósfera como reflector
(path radiance) se añade a la del blanco.
- la atmósfera como atenuador se expresa
mediante un factor multiplicativo
Por lo tanto
L
sensor
= Lblanco T + Lp
Corrección atmosférica:
efecto de dispersión molecular Rayleigh
Existen varias opciones para el
cálculo de Lp:
A. Cálculo de Lp si solo se
considera el efecto
molecular, existe un modelo
desarrollado por Rayleigh para
calcular Lp a partir del día
juliano y el ángulo cenital
solar.
Firma espectral TOA Landsat 5 de un terreno
boscoso (negro) y la misma firma corregida
por Rayleigh (rojo)
TOA
Rayleigh
0.25
0.20

0.15
0.10
0.05
0.00
1
2
3
4
# banda espectral
5
6
7
Corrección atmosférica: SONG
Según el método de Song el L1% se
calcula como:
L1% 
(  SURF 1% cos(90  S .Elev.)Tsol Song Esol )
 d2
Una vez obtenido el valor de L1% y
estimado el valor de Lmin, es posible
calcular Lp y la radiancia en
superficie. En la figura, se observa
la misma firma de bosque corregida
por Song, así como las firmas
anteriores.
donde Tsol, Song es:
0.25
r
 exp( 
)
cos  sol
0.20
0.15

Tsol , Song
A
B
C
τr = 0,008569 * λ * (1+ 0,0113 * λ
0,00013 * λ -4)
-4
-2
+
donde λ es la longitud de onda central en micrones
de cada banda.
0.10
0.05
0.00
1
2
3
4
5
6
7
# banda espectral
Figura 3. Firma espectral Landsat 5 de un terreno boscoso.
Se observa la firma a tope de atmósfera (TOA) (negro), la
firma corregida por Rayleigh (verde) y la firma corregida
por Song (rojo).
Correcciones radiométricas
obtención de las radiancias medidas por el
sensor a partir de los contajes digitales
(DN)
correcciones atmosféricas: obtención de
radiancias de superficie
cálculo de reflectancias: magnitud física
de interés
Preguntas
¿Qué unidades y qué valores toma la radiancia?
¿Qué unidades y que valores toma la reflectancia?
Compare las unidades de los coeficientes
de calibración de distintos sistemas
Preguntas
¿Para qué se usan los coeficientes de calibración?
¿Qué efecto tiene sino se calibrase?
¿Puedo comparar datos de distintos sistemas
sino calibro?