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

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.

3

Percepción remota …

4

Un instrumento

de percepción remota mide la radiación reflejada o

emitida

Percepción remota: ejemplos

• La plataforma depende de la aplicación

•¿Qué información queremos?

•¿Cuánto detalle?

•¿Qué tipo de detalle?

•¿Cuán frecuentemente? 5

(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

6

(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

7

(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

8

(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

Hay muchos tipos de sensores remotos

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

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

MODIS-Aqua (órbita “ascendiente”)

MODIS-Terra (“descendiente”)

Aproximadamente13h30 hora de

paso localSatélite

vespertino

Aproximadamente10h30 AM hora de paso local

Satélitematutino 20

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

¿Por qué es

importante la

resolución espacial?

Resolución espectral -

26

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

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.

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

MODIS 500 MetrosImagen en color real

Percepción remota – compromisos

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Imagen Aster Resolución 15 M

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.

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

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

• 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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