Sistemas de Información Geográfica PDF

Sistemas de información geográfica Nicola Clerici, PhD Biology Program Faculty of Natural Sciences and Mathematics Universidad del Rosario 1 Sistemas de información geográfica INTRODUCCIÓN A LA TELEDETECCIÓN 2 Sistemas de información geográfica ¿Qué entendemos por Teledetección (Remote Sensi...

Sistemas de información geográfica Nicola Clerici, PhD Biology Program Faculty of Natural Sciences and Mathematics Universidad del Rosario 1 Sistemas de información geográfica INTRODUCCIÓN A LA TELEDETECCIÓN 2 Sistemas de información geográfica ¿Qué entendemos por Teledetección (Remote Sensing)? • “La ciencia de la adquisición, procesamiento e interpretación de datos que graban la interacción entre energía electromagnética y materia” (Sabins, 2007) • La teledetección es “la ciencia de obtener información sobre un objeto, superficie o fenómeno a través del análisis de los datos adquiridos por un dispositivo que no está en contacto con el objeto, superficie o fenómeno que se investiga.” ..Uds lo hacen prácticamente cada día… cómo? 3 Sistemas de información geográfica Principios físicos. La radiación electromagnética (EM) consiste de un campo eléctrico E perpendicular a la dirección en que viaja la onda, un campo magnético M perpendicular a E. Los dos campos viajan a la velocidad de la luz c = 3·108 m/s aprox. (300’000 km/s) Dos propiedades importantes de la radiación EM son longitud de onda (l) (a menudo medida en nm >10-9 o mm> 10-6) c=ln y frecuencia (n): número de ciclos de una onda que pasa una punto fijo por unidad de tiempo. Se mide en Hz (ciclos por segundo) 4 Sistemas de información geográfica Principios físicos El espectro electromagnético E=hν mayor n mayor l 5 Sistemas de información geográfica Principios físicos El espectro electromagnético visible ! ….aproximadamente l = 0.45 a 0.75 μm Pantalla: todos los colores pueden formarse como mezcla de ROJO, VERDE y AZUL (RGB) 6 Sistemas de información geográfica Principios físicos Aumentamos l: el espectro electromagnético infrarrojo (IR) • Longitud de onda l varia de approx. 750 nm a 1 mm • Se divide en IR cercano, medio, y lejano según la longitud de onda (imagen) • También hablamos de IR reflejado (l =0.75 μm a 3-4 μm) e IR emitido o TERMICO (l = 3-4 μm a 100 μm.) • Se llama IR térmico porqué es la radiación en que emite el calor de la Tierra 7 Sistemas de información geográfica Principios físicos • Más un cuerpo es caliente más emite radiación con más energía • La energía E de una onda EM es directamente proporcional a su frecuencia n E=hn h = constante =6.626070040×10−34 J⋅s • Conociendo la temperatura máxima de un cuerpo podemos estimar (aprox.) su curva de intensidad de emisión (W/m3) Temperatura max sup. del sol approx = 5,778 K (5,505 °C) Pico de emisión del Sol (lmax) es a una longitud de onda de approx. 500 nm en la parte verde del espectro visible Ley de desplazamiento de Wien | 8 Sistemas de información geográfica Principios físicos • Antes de llegar a la Tierra la radiación solar interacciona con la atmosfera a través de dos fenómenos: 1) Scattering y 2) Absorción Scattering: re-direccionamiento (dispersión) de las ondas EM por parte de gases y partículas atmosféricas. Existen 3 tipos: • 1) de Rayleigh, cuando las partículas atmosféricas son pequeñas comparadas con la longitud de onda (d < l). Las longitudes de ondas menores tendrán más scattering de las longitudes de onda mayores… en el visible será el azul a ser más disperso (..con respecto e.g. al rojo) (por eso el cielo es azul…..) • 2) de Mie, cuando las partículas atmosféricas son de dimensiones comparables con la longitud de onda (d = l) • 3) No selectivo, cuando las partículas atmosféricas son grandes comparadas con la longitud de onda (d > l). (por eso las nubes son blancas…..) 9 Sistemas de información geográfica Principios físicos Absorción: fenómeno por el cual las moléculas de gases atmosféricos absorben energía a varias longitudes de onda. Típicamente: CO2, H2O, O3,… • Estos gases absorben energía en regiones muy especificas del espectro EM. • Hay “ventanas atmosféricas” (intervalos de longitud de ondas) en donde no hay absorción o poca. Allí es donde vamos a utilizar la teledetección para la Observación de la Tierra. 100% Absorción 100% Absorción La razón porqué los ojos utilizan este espectro 100% Absorción Ventana 10 Sistemas de información geográfica Irradiancia espectral (Spectral Irradiance): energía radiante transportada por las ondas por unidad de tiempo (=flujo) recibida por unidad de superficie (o per unidad de frecuencia o de longitud de onda). TIR 11 Sistemas de información geográfica La Tierra también emite radiación EM! (curva verde) Qué lmax si T=290K? Ventanas abierta para la teledetección (mm): 1) Visible-Near IR (0.4 - 2.5); 2) Mid-IR (3 - 5); 3) Thermal IR (8 - 14); 12 Sistemas de información geográfica Qué pasa a la radiación que llega a la Tierra? Interacciona con los objetos de la superficie según 3 fenómenos: absorción, transmisión y reflexión • Absorción: radiaciones absorbidas por el ‘objeto’ • Transmisión: radiaciones pasan por el ‘objeto’ • Reflexión: radiaciones rebotadas por el ‘objeto’ 13 Sistemas de información geográfica Hay 2 tipos de reflexión: especular y difusa En la teledetección estamos interesados en la Reflectancia espectral r(l): fracción de radiación incidente reflejada por una superficie según la longitud de onda En qué unidades se mide la r(l)? G expresa cantidad de radiación 14 Sistemas de información geográfica la Reflectancia espectral varía mucho de objeto a objeto. El conjunto de las reflectancias espectrales (variando l) de un material especifico en un intervalo designado del espectro electromagnético se llama “firma espectral”(es una curva continua) Porqué una hoja en salud es verde? Porqué el agua aparece azul? 15 Sistemas de información geográfica Firma espectral de vegetación (verde y seca), agua, suelo 16 Sistemas de información geográfica Teledetección Pasiva y Activa 1) Los sensores pasivos capturan la radiación del sol reflejada o 2) emitida por una superficie (la Tierra) Y la atmosfera 17 Sistemas de información geográfica Teledetección Pasiva y Activa Los sensores activos generan radiación electromagnética y capturan la radiación reflejada por la superficie (la Tierra). Emiten en micro-ondas, “transparentes” a la atmosfera. Funcionan día y noche (el ‘sol’ son ellos). 18 Sistemas de información geográfica Las “imágenes” • Todos los sensores satelitales reciben la radiación EM y la convierten en señal digital (Refl.espectral en valores de pixeles) • Estas señales digitales son enviadas a estaciones terrestres y organizadas para formar la imagen (raster) y su distribución Donde hay más Reflectancia espectral? Intensidad de la señal es escalada según la “pixel depth”, p.ej.: 0-255 19 Sistemas de información geográfica 20 Sistemas de información geográfica Los sensores • Instrumentación en campo • En drones • En aviones • En satélites 21 Sistemas de información geográfica Los sensores satelitales Muy utilizados porqué tienen muchas ventajas: • Una vez en orbita adquieren imágenes en continuo • Cubren grandes extensiones • Pueden montar multíplices sensores Pueden estar en 1) orbita geoestacionaria o sea que su velocidad es igual a la de la rotación terrestre, creando la posibilidad de monitorear un área especifica (p.ej. satélites meteorológicos). Se encuentran a ca.36,000 km de altura 22 Sistemas de información geográfica Los sensores satelitales Pueden estar en 2) orbita casi-polar o sea “norte-sur”, a altitudes muchos más bajas (centenares de km). Conjuntamente con la rotación de la Tierra cubren toda la superficie terrestre. Generalmente, cubren cada zona del mundo a un especifico tiempo constante del día (condiciones de luz consistentes) 23 Sistemas de información geográfica Conceptos importantes Periodo de revisión (Revisit period) Tiempo necesario para volver a grabar la misma imagen (p.ej. Landsat = 16 gg). NO el tiempo de una orbita! Ancho de barrido (Wide swath) Ancho máximo que el sensor puede grabar en una vez Los barridos se solapan. https://www.youtube.com/watch?v=y_jM_BxQGvE 24 Sistemas de información geográfica Conceptos importantes • Campo instantáneo de visión (IFOV): ángulo sólido mínimo subtendido por la abertura del sensor (A); •El IFOV determina la Resolución Espacial = la medida del objeto más pequeño que puede distinguir el sensor, o sea el área que representa cada pixel en el terreno (B). • En satélites no militares la resolución espacial puede variar de algunos decímetros a pocos km 25 Sistemas de información geográfica Conceptos importantes Dl=30 mm Dl=10 mm 1 banda (canal) 3 bandas (canales) • Resolución espectral: el ancho del intervalo mínimo de longitud de onda (Dl) que puede grabar un sensor en una banda (más estrecho, más resolución espectral tiene) 26 Sistemas de información geográfica Conceptos importantes • Sensor multi-espectral: graba varios rangos de longitud de onda por separado, con diversas resoluciones espectrales. Dl1 Dl2 Dl3 Imagen multiespectral (ejemplo: 3 capas raster) 27 Sistemas de información geográfica Lectura integrativa (Ch.1 en Moodle) 28