Una Introducción a la Percepción Remota Curso de Capacitación en Percepción Remota (NASA) Geo Latin America and Caribbean Water Cycle capacity Building Workshop Cartagena, Colombia, 28-29 de Noviembre, 2011 ARSET Applied Remote Sensing Education and Training (Educación y Capacitación en Percepción Remota Aplicada) Un proyecto del Programa de Ciencias Aplicadas de la NASA

Qué es la Percepción Remota? El método de percepción remota es una manera de obtener información sobre las propiedades de un objeto que no está en contacto directo con el dispositivo que toma las medidas.

Por qué usar Percepción Remota para estudiar la Tierra? Provee información visual global Complementa las observaciones de las redes de monitoreo terrestres o provee información donde no hay observaciones desde tierra. Permite advertir con anticipación eventos y desastres ambientales inminentes.

Cómo obtienen las mediciones los Satélites? Los sensores satelitales pasivos miden la radiación reflejada o emitida por el sistema tierra-atmósfera Radiancia La Radiancia es convertida a un parámetro geofísico. Ejemplos: Precipitación en forma de Lluvia Acumulada Cobertura de Nieve Precipitación en forma de Lluvia Acumulada, Guatemala

Un Producto de Percepción Remota Radar de Precipitación de TRMM (Guatemala)

Tipos de Orbitas Satelitales Orbita Geoestacionaria Sobre la tierra a ~36000 km de altitud Medidas frecuentes Cobertura Espacial Limitada Baja Orbita Terrestre (LEO por sus siglas en inglés) - Polar (Aqua, Terra) - No polar (TRMM) Orbita circular alrededor de la tierra a 160-2000 km de altitud Medidas menos frecuentes (<2 veces por día) Cobertura Espacial Amplia (global)

Baja Orbita Terrestre (LEO) Orbitan a una altitud de 160- 2,000 km. Camino del Satellite

Baja Orbita Terrestre (LEO) Orbitan a una altitud de 160-2,000 km. Camino del Satellite Orbita Ascendente: El satélite se está moviendo del Sur al Norte cuando esa porción de la órbita cruza el ecuador.

Baja Orbita Terrestre (LEO) Orbita Descendente: El satélite se está moviendo del Norte al Sur cuando esa porción de la órbita cruza el ecuador.

Aqua (órbita “ascendente”) durante el día Baja Orbita Terrestre polar Terra (órbita “descendente”) durante el día

Orbita de Aqua Cercana a los polos, helio-sincrónica, orbita la Tierra cada 98.8 minutos, cruza el ecuador en dirección Norte (órbita ascendente de día) a la 1:30 p.m. y en dirección Sur (órbita descendente de noche) a la 1:30 a.m. El camino de la órbita cambia todos los días pero se repite en ciclos de 16 días. Esto es cierto para Aqua, Terra, y TRMM

Orbitas durante el Día Terra - Descendente Aqua - Ascendente En una parte de la órbita, los dos sensores producen imágenes con inclinaciones opuestas.

TRMM (órbita “ascendente”) Baja Orbita Terrestre no polar TRMM (órbita “ascendente”) La órbita baja de TRMM permite que sus instrumentos se concentren en los trópicos. Esta imagen muestra la mitad de las observaciones de un día de TRMM.

Satélites que Observan la Tierra Tiempo de Cruce del Ecuador: El tiempo local aparente solar cuando el satélite cruza el ecuador. Ejemplo: Terra tiene un tiempo de cruce del ecuador de 10:30 am, y se le llama “AM” o satélite de mañana. Helio-Sincrónico: El satélite siempre está en la misma posición relativa entre la tierra y el sol..

Dirección Transversal Campo de Visión de Baja Orbita Terrestre (FOV por sus siglas en inglés) La órbita permite un campo de visión en dirección transversal a y a lo largo de la misma. Dirección del Movimiento del Satélite A lo largo Dirección Transversal

Satélites que Observan la Tierra Dirección del Movimiento del Satélite En el “Escaneo Transversal”, un espejo de escaneo oscila a lo largo de la trayectoria sub-orbital. El sensor observa los píxeles secuencialmente en dirección transversal y a lo largo de la dirección del movimiento del satélite. Escaneo Transversal

Campo de Visión de Baja Orbita Terrestre Dirección del Movimiento del Satélite Los satélites en Orbitas Bajas tienen solamente un Campo de Visión Instantáneo (IFOV por sus siglas en inglés)

Orbita de MODIS en 3D

Resoluciones de Percepción Remota Resolución Espacial Resolución Temporal Resolución Espectral Resolución Radiométrica

Resolución Espacial Resolución Espacial: una definición simple es: FOV tamaño de pixel que las imágenes satelitales cubren. La información en las imágenes satelitales se organiza en filas y columnas (“raster imagery”), donde cada pixel tiene una resolución espacial determinada. FOV IFOV altura del satélite Note that at nadir the pixel size is finer and for large swath width sensors such as MODIS the pixel size at the edge of the swath is much larger. Tamaño de pixel en la dirección del Nadir Tamaño de pixel fuera de la dirección del Nadir

Perspectiva del satélite vs. proyección de mapa proyección cilíndrica isotrópica Tamaño de pixel crece Dirección de Vuelo Dirección de Escaneo Efecto “BowTie”

Resolución Espacial de Productos de Datos Satelitales de la NASA Resolución Espacial Alta 250x250m; 500x500 m; 1x1 km; 0.05x0.05 grados Ejemplo: Imágenes en Color Verdadero - MODIS (RGBs) Resolución Espacial Moderada 0.25x0.25 grados Ejemplo: productos de precipitación de TRMM Resolución Espacial Baja (Nivel 3) Principalmente a una resolución de 1 x 1 grados - derivado de cada producto de resolución original del conjunto de datos. Ejemplo: temperatura de la superficie del aire - AIRS

Un ejemplo de un Producto de Alta Resolución Espacial de la NASA Resolución de 2x2 km MODIS TERRA Imagen de Color Verdadero sobre el Sur de California 4 de Enero 2009 Fuente: NASA GSFC Rapidfire AERONET Subset de Fresno, CA

Un ejemplo de un Producto de Resolución Espacial Moderada de la NASA 0.25x0.25 grados TRMM Precipitación en forma de Lluvia acumulada sobre Guatemala

Un ejemplo de un Producto de Resolución Espacial Baja de la NASA MERRA Precipitación de agua en forma de lluvia por mes 1.25 x 1.25 grados

Resolución Temporal de los Datos de Percepción Remota La frecuencia con la que los datos son obtenidos es determinada por: El tipo y altura de la órbita El tamaño de la franja de observación

Resolución Temporal de Satélites en Orbita Polar Ejemplos: Terra, Aqua Las observaciones están disponibles solamente en el momento en que pasa el satélite. Observaciones basadas en IR: disponibles 2 veces por día (AIRS) Observaciones en el rango visible: disponibles 1 vez por día Las regiones polares pueden tener varias observaciones por día

Resolución Temporal de Satélites en Orbita no Polar Ejemplo: TRMM Las observaciones están disponibles solamente en el momento en que pasa el satélite. Observaciones disponibles menos de 1 vez por día Nota: productos derivados disponibles cada 3 horas

Percepción Remota – Resoluciones Resolución Espectral – Número y rango de bandas espectrales. Más bandas = Más información Resolución Radiométrica – Ancho de banda de cada banda espectral individual. Importante para evitar o aprovechar las “ventanas atmosféricas”

Niveles de Procesamiento de los Datos Satelitales y Formatos

Niveles de Procesamiento de Datos Datos Fuente: L1a son cuentas de radiancia sin calibrar y L1b son radiancias calibradas (después de aplicar la calibración a L1a) Nivel 2 Variables geofísicas derivadas a la misma resolución y posición que los datos fuente de Nivel 1 (después de aplicar corrección atmosférica, etc.) Nivel 2G Datos guardados de Nivel 2 proyectados en una grilla uniforme de espacio y tiempo (Ejemplo: NO2 Troposférico de OMI a una resolución de 0.25x0.25 grados) Nivel 3 Variables geofísicas proyectadas en una grilla uniforme de espacio y tiempo en resoluciones espaciales y/o temporales derivadas (Ejemplo: Temperatura de MODIS a una resolución de 1x1 grados)

Niveles de Procesamiento de Datos y Resolución Espacial Los productos de datos de Nivel 1 y Nivel 2 tienen las resoluciones espaciales y temporales más altas. Los productos de Nivel 3 son productos derivados con resolución espacial y temporal igual o menor a la de los productos de Nivel 2. Están disponibles por hora, por día, y algunos por mes.

Niveles de Procesamiento de Datos Productos de Nivel 1 Menos Procesamiento Más Procesamiento Datos Orbitales Usados para producir Productos de Nivel 2 Datos Orbitales Usados para producir Productos de Nivel 3 Combinaciones globales de productos de Nivel 2

Niveles de Procesamiento de Datos Productos de Nivel 1 Más Control del Usuario Menos Control del Usuario Datos Orbitales Más difícil de usar Más fácil de usar Usados para producir Productos de Nivel 2 Datos Orbitales Usados para producir Productos de Nivel 3 Combinaciones globales de productos de Nivel 2

Ejemplo de Nivel 2: Radar de Precipitación en Guatemala TRMM (4x4 km)

Ejemplo de Nivel 3: TRMM Precipitación en forma de Lluvia Acumulada 0.25x0.25 grados TRMM Precipitación en forma de Lluvia Acumulada sobre Guatemala

Términos Importantes para Productos de Nivel 2 y Nivel 3 Reprocesamiento: Aplicación de un algoritmo nuevo a un conjunto de datos. Procesamiento hacia adelante: Aplicación del algoritmo presente a nuevos datos adquiridos.

Versiones de Datos Para algunos productos de datos de la NASA puede haber más de una versión disponible Nota: los productos de Giovanni son la versión de datos más reciente disponible al público Para cada nivel de procesamiento, se publican nuevas versiones de datos periodicamente con la mejora de algoritmos de obtención de datos u otras fuentes de información, e.g. V001, V002, V003

Formatos de Datos Texto/ASCII Ventajas: son fáciles de leer y permiten examinar los datos directamente (se pueden leer con herramientas como Excel y software GIS) Desventajas: archivos de datos grandes Binario – HDF, NetCDF Ventajas: ocupan menos espacio, entra más información (metadata,SDS) Desventajas: se necesitan herramientas específicas o códigos para interpretar los datos KML o KMZ (zipped KML) Ventajas: sencilla visualización de los datos en 2D y 3D a través de herramientas gratis como Google Earth. Los datos son de bajo volumen. 39

Formatos de Datos HDF HDF es el formato standard para la mayoría de los datos de la NASA Archivos de datos en formato HDF contienen data y metadata SDS - se le llama SDS (Conjunto de Datos Científico) a cada parámetro en un archivo en HDF. Se debe hacer referencia precisamente de acuerdo al nombre cuando se analizan los datos con el código propio del usuario.

GIF KMZ HDF NetCDF ASCII Accediendo a diferentes formatos de datos (Ejemplo: Página web Giovanni) GIF KMZ HDF NetCDF ASCII

Juntando todo: nombres de archivos de datos 3B42.110630.21.6A.HDF.Z Nivel 3 Hora GMT: 21 Producto de Datos: Tasa de lluvia cada 3 horas (mm/hra) Fecha (30 de Junio, 2011) Formato de Datos (HDF5) Versión 6 El formato de datos es HDF5 El nivel de procesamiento es L3 Versión 6

Conclusiones Los formatos de los datos satelitales de la NASA son variados y la elección de los más apropiados depende de las necesidades de cada usuario Los formatos de datos disponibles incluyen ASCII, HDF, NetCDF, y KMZ Los datos satelitales varían en la resolución espacial dependiendo de las características de los instrumentos y el nivel de procesamiento (L2, L2G, L3)