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Los fundamentos de la percepción remota satelital
NASA ARSET- AQ Introducción a la percepción remota y las
aplicaciones para la calidad del aireSerie de cursillos en línea, invierno 2014
2da semana – 15 de enero de 2014
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ARSET - AQ
Applied Remote SEnsing Training – Air Quality(“Capacitación de percepción remota aplicada – calidad del aire” en inglés)
Un proyecto de Ciencias Aplicadas de la NASA
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Resumen
• La percepción remota• Sensores activos y pasivos• Captadores de imágenes, sondas y radiómetros• Órbitas satelitales• Resoluciones espacial, espectral, radiométrica y temporal
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¿Qué es la percepción remota?
Recolectar información acerca de un objeto sin estar en
contacto físico directo con él.
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Percepción remota …
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Un instrumento
de percepción remota mide la radiación reflejada o
emitida
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Percepción remota: ejemplos
• La plataforma depende de la aplicación
•¿Qué información queremos?
•¿Cuánto detalle?
•¿Qué tipo de detalle?
•¿Cuán frecuentemente? 5
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(A) Fuente de energía o
iluminación
Radiation and the Atmosphere (B)
Interaction with the Target (C)
Transmission, Reception, and Processing (E)
Interpretation and Analysis (F)
Application (G)
Referencia: CCRS/CCT
Recording of Energy by the Sensor (D)
El proceso de la percepción remota
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(A) Fuente de energía o
iluminación
(B)Radiación
y la atmósfera
Interaction with the Target (C)
Transmission, Reception, and Processing (E)
Interpretation and Analysis (F)
Application (G)
Referencia: CCRS/CCT
Recording of Energy by the Sensor (D)
El proceso de la percepción remota
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(A) Fuente de energía o
iluminación
(B)Radiación y la
atmósfera
(C) Interacción
con el objetivo
Transmission, Reception, and Processing (E)
Interpretation and Analysis (F)
Application (G)
Referencia: CCRS/CCT
Recording of Energy by the Sensor (D)
El proceso de la percepción remota
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(A) Fuente de energía o
iluminación
(B)Radiación y la
atmósfera
(C) Interacción con el objetivo
Transmission, Reception, and Processing (E)
Interpretation and Analysis (F)
Application (G)
Referencia: CCRS/CCT
El proceso de la percepción remota
(D)Grabación de la energía por
el sensor
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(A) Fuente de energía o
iluminación
(B)Radiación y la
atmósfera
(C) Interacción con el objetivo
Interpretation and Analysis (F)
Application (G)
Referencia: CCRS/CCT
El proceso de la percepción remota
(D)Grabación de la energía por el sensor
(E)Transmisión, recepción y
procesamiento
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(A) Fuente de energía o
iluminación
(B)Radiación y la
atmósfera
(C) Interacción con el objetivo
Interpretation and Analysis (F)
Referencia: CCRS/CCT
El proceso de la percepción remota
(D)Grabación de la energía por el sensor (E)
Transmisión, recepción y procesamiento
(F)Interpretación y
análisis
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El proceso de la percepción remotaFuente de energía o
iluminación (A)
Radiación y la atmósfera (B)
Interacción con el objetivo (C)
Transmisión, recepción y procesamiento (E)
Interpretación y análisis (F)
(G)Aplicación
Referencia: CCRS/CCT
Grabación de la energía por el sensor (D)
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Pausa para preguntas
Nota importante:
El satélite no hace mediciones directas de la contaminación aérea ni de cualquier otro parámetro geofísico sino mide radiancia reflejada/emitida por cualquier componente del sistema atmosférico-terrestre en la cima de la atmósfera.
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Clasificaciónes de satélites/sensores
• Órbitas
– Polar vs. geoestacionaria
• Fuente de energía
– Pasiva vs. activa …
• Epectro solar
– Visible, UV, IR, microonda …
• Técnica de medición
– Escaneada, no escaneada, captador de imágenes, sondas …
• Resolución (espacial, temporal, espectral, radiométrica) – Baja vs. alta (cualquier tipo)
• Aplicaciones– Clima, colores oceánicos, cartografía terrestre, física atmosférica, química
atmosférica, calidad del aire, balance radiativo, ciclo del agua, gestión costal …
Algunas de las formas de clasificar satélites/sensores
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Hay muchos tipos de sensores remotos
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Percepción remota … sensores
Sensores pasivos: Los sistemas de percepción remota que miden la energía que está naturalmente disponible se llaman sensores pasivos.
Ejemplos: ASTER, LANDSAT, AVHRR, TOMS, MODIS, MISR, OMI, CERES
Sensores activos: El sensor emite radiación dirigida hacia el objetivo a ser investigado. La radiación reflejada de ese objetivo es detectada y medida por el sensor.
Ejemplos: LIDAR (CALIPSO, LITE), RADAR (SAR, PR, CPR), SONAR
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Captadores de imégenes y sondas
Los captadores de imágenes crean imágenes – ejemplos, MODIS, MISR
Las sondas pueden proporcionar perfiles verticales – Cloud Profiling Radar* (CLOUDSAT), SAR** (Synthetic Aperture RADAR)
* Radar de perfil de nubes**Radar de apertura sintética
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Tipos de órbita comunes
Órbita geoestacionariaUna órbita que tiene el mismo período de rotación que la TierraParece estar ‘fija’ sobre la línea ecuatorial a unos ~36,000km
Órbita polar órbita circular fija sobre la Tierra, ~600-1000km en órbita heliosincrónica pasando sobre el mismo punto aproximadamente a la misma hora local solar cada día
Geoestacionaria
Polar
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Ascendiente vs
descendiente
Órbitas polares
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MODIS-Aqua (órbita “ascendiente”)
MODIS-Terra (“descendiente”)
Aproximadamente13h30 hora de
paso localSatélite
vespertino
Aproximadamente10h30 AM hora de paso local
Satélitematutino 20
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Percepción remota – resoluciones
– Resolución espacial
La medición espacial más pequeña.
– Resolución temporal
Frecuencia de medición.
– Resolución espectral
El número de canales independientes.
– Resolución radiométrica
La sensibilidad de los detectores.
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Pixel
La mayoría de las imágenes de percepción remota están compuestas de una matriz de elementos pictográficos o pixeles, los cuales son las unidades más pequeñas de una imagen. Los pixeles de una imagen son normalmente cuadrados (pero no necesariamente) y representan cierta área en una imagen/la Tierra.
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Campo de vista instantáneo (IFOV por sus siglas en inglés)
El IFOV es el cono angular de visibilidad del sensor (A) y determina el área en la superficie de la Tierra que es "visto" desde una altura particular en un momento particular en el tiempo (B). El tamaño del área que se observa se determina con multiplicar el IFOV por la distancia del suelo al sensor (C). Esta área en el suelo se llama la célula de resolución y determina la máxima resolución espacial de un sensor
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Resolución espacial Resolución
espacial : Una definición sencilla es el tamaño de pixel que las imágenes satelitales cubren.
Las imágenes satelitales están organizadas en filas y columnas llamadas imágenes de “ráster” y cada pixel tiene cierta resolución espacial.
Tamaño de pixel
en el nadir
Campo de Vista (FOV) IFOV
Altura delsatélite
Incremento en tamaño de pixel
Efecto mariposa Dirección del vuelo Dir
ecc
ión
de
esc
an
eo
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Tamañode pixelfuera delnadir
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¿Por qué es
importante la
resolución espacial?
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Resolución espectral -
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Resolución espectral
• La resolución espectral describe la habilidad de un sensor de definir intervalos finos de longitud de onda. Cuanto más fina es la resolución espectral, más angosta es la gama de longitudes de onda para una banda o canal particular.
• Sensores multi-espectrales - MODIS• Sensores hiperespectrales - OMI, AIRS
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755 760 765 770 775
Longitud de onda (nm)
Para captar la información contenida dentro de una región espectral angosta – se requieren instrumentos
hiperespectrales como OMI, or AIRS
Esp
eso
r ópti
co
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Resolución radiométrica• Los datos de imágenes están representdados por números
digitales positivos que varían del 0 hasta (uno menos que) una potencia elegida de 2.
• El máximo numero de niveles de luminosidad disponibles depende del número de bits utilizados al representar la energía grabada.
Sensor de 12 bits (MODIS, MISR) – 212 o 4096 niveles Sensor de 10 bits (AVHRR) – 210 o 1024 nivelesSensor de 8 bits (Landsat TM) – 28 o 256 niveles (0-255)Sensor de 6 bits (Landsat MSS) – 26 o 64 niveles (0-63)
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Resolución radiométrica 2 - niveles 4 - niveles
8 - niveles 16 - niveles
Cuando se clasifica una escena, las diferentes clases se pueden identificar con más precisión si la precisión
radiométrica es alta.
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Resolución temporal• Cuán frequentemente un satélite puede
proporcionar una observación de la misma zona de la tierra
• Depende principalmente de la anchura de banda del sátelite – mientras más ancho el barrido – más alta la resolución temporal
• MODIS – 1-2 días – ciclo de repeticón de 16 dias
• OMI – 1-2 días • MISR – 6-8 días• Geoestacionario – 15 min a 1 hora (pero se limita a una aérea específica de la tierra) 31
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MODIS 500 MetrosImagen en color real
Percepción remota – compromisos
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Imagen Aster Resolución 15 M
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MODIS 500 MeterTrue color image
Percepción remota – compromisos
2300 KM
• Las diferentes resoluciones son el factor limitante de la utilización de los datos de la percepción remota para diferentes aplicaciones. El compromiso se debe a las limitaciones técnicas
• Un barrido más amplio está asociado con una baja resolución espacial y vice versa.
• Por lo tanto, los satélites a menudo se diseñan tomando en cuenta las aplicaciones particulares. 33
2300 KM 60 KM
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Compromisos Es muy difícil obtener altas resoluciones
espectral, espacial, temporal y radiométrica al mismo tiempo.
El MODIS, OMI y varios otros sensores pueden obtener una cobertura global entre cada día y cada dos días debido a la gran anchura de la banda que utilizan.
Los satélites en órbita polar de mayor resolución pueden tardar entre 8 y 16 días para realizar una cobertura global o quizá nunca proporcionen una cobertura global completa.
Los satélites geoestacionarios obtienen observaciones mucho más frecuentes pero a menor resolución debido a que la distancia orbital es mucho mayor.
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Capacidades de instumentos – para la calidad del aire
Captadoresde imágenes
MODIS – Terra y AquaResolución de 250m-1 KM
MISRResolución de 275m- 1.1 KM
PolderResolución de 6 KM
Radiómetros
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Resolución de 13 x 24 KM
Resolución de 40 x 80 KM
Resolución de 30 x 60 KM
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Tres satélites para datos de la calidad del aire
• MODIS (Terra y Aqua)•36 canales espectrales•Cargamento de aerosoles en columna – puede utilizarse para determinar la concentración de masa de partículas
• MISR (Terra)•4 bandas espectrales y 9 bandas angulares•Cargamento de aerosoles en columna en categorías de diferentes tamaños de partículas• En algunos casos, alturas de aerosoles
• OMI (Aura)•Aerosoles absorbentes•Gases trazadores
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Productos geofísicosImágenes
Fracción de nubes
Espesor óptico de aerosoles – Partículas
Cantidad total de gases trazadores en columna
Concentraciones de gases trazadores en capas
Tipo de cobertura terrestre
Índice de vegetación37
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• Exactitud de calibración
• Garantía de calidad
• Formatos de datos
• Resoluciones de productos
• Nivel de productos de datos
• Versión actual de los datos e historial de datos
Cosas importantes que el usuario debe tomar en cuenta y que pueden cambiar
con cada instrumento
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Tarea
La 2da tarea debe entregarse el martes 14 de enero de 2014
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Referencias y enlaces
• Pagína en línea de ARSET-AQ
http://airquality.gsfc.nasa.gov/
• Cursillo de percepción remota
http://rst.gsfc.nasa.gov/
• Intoducción al procesamiento de imágenes digitales – texto de Jensen
http://books.google.com/books?id=F84PAQAAIAAJ&q=introductory+digital+image+processing&dq=introductory+digital+image+processing&hl=en&src=bmrr&ei=0GmVTp-sMKnW0QHKvsWuBw&sa=X&oi=book_result&ct=result&resnum=1&ved=0CC0Q6AEwAA
• Canada Centre for Remote Sensing (Centro de percepción remota de Canadá)
http://www.ccrs.nrcan.gc.ca/resource/index_e.php#tutor
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