Los fundamentos de la percepción remota satelital

Presentación del tema: "Los fundamentos de la percepción remota satelital"— Transcripción de la presentación:

1 Los fundamentos de la percepción remota satelital
2da semana – 15 de enero de 2014 Los fundamentos de la percepción remota satelital NASA ARSET- AQ Introducción a la percepción remota y las aplicaciones para la calidad del aire Serie de cursillos en línea, invierno 2014 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 1 1

2 Resumen La percepción remota Sensores activos y pasivos
Captadores de imágenes, sondas y radiómetros Órbitas satelitales Resoluciones espacial, espectral, radiométrica y temporal 2

3 ¿Qué es la percepción remota?
Recolectar información acerca de un objeto sin estar en contacto físico directo con él. 3

4 Percepción remota … Un instrumento de percepción remota mide la radiación reflejada o emitida “el arte, la ciencia y tecnología de obtener información fidedigna acerca de objetos físicos y el medio ambiente por medio del proceso de grabar, medir e interpretar imágenes y representaciones digitales de los patrones de energía derivados de los sistemas sensores sin contacto”. (Cowell 1997). Un instrumento de percepción remota recolecta información sobre un objeto o fenómeno dentro del campo instantáneo de visión del sistema sensor sin estar en contacto físico directo con él. El sensor está ubicado en una plataforma suborbital o satelital. 4 4

5 Percepción remota: ejemplos
La plataforma depende de la aplicación ¿Qué información queremos? ¿Cuánto detalle? ¿Qué tipo de detalle? ¿Cuán frecuentemente? 5

6 El proceso de la percepción remota Fuente de energía o iluminación
Transmission, Reception, and Processing (E)  Recording of Energy by the Sensor (D)  Interpretation and Analysis (F) Radiation and the Atmosphere (B)  Fuente de energía o iluminación (A) el primer requisito para la percepción remota es una fuente de energía que ilumine o emita energía electromagnética hacia el objeto de interés. Radiación y la atmósfera (B) - a lo largo que la energía viaja de la fuente hasta el objetivo, entrará en contacto e interactuará con la atmósfera que atraviesa. Esta interacción puede que ocurra una segunda vez cuando la energía retorna del objetivo al sensor. Interacción con el objetivo (C) - una vez que la energía se dirige al objetivo a través de la atmósfera, interactúa con el objetivo según las propiedades tanto del objetivo como aquellas de la radiación. Aplicación (G) - el útimo elemento del proceso de la percepción remota se logra cuando aplicamos la información que hemos podido extraer de las imágenes sobre el objetivo con la finalidad de entenderlo mejor, revelar alguna nueva información, o ayudar a resolver un problema en particular Grabación de la energía por el sensor (D) - después de que la energía ha sido esparcida por, o emitida desde el objetivo, requerimos un sensor (remoto – no en contacto con el objetivo) para recolectar y grabar la radiación electromagnética. Transmision, recepción, y procesamiento (E) - hay que transmitir la energía grabada por el sensor, a menudo en forma electrónica, a una estación donde se la recibe y se procesan los datos para crear una imagen (en papel y/o digital) Interpretación y analísis (F) - la imagen procesada se interpreta visual y/o digital y/o electrónicamente para extraer información acerca del objetivo que fue iluminado. Application (G)   Interaction with the Target (C)  6 Referencia: CCRS/CCT 6

7 El proceso de la percepción remota Fuente de energía o iluminación
Transmission, Reception, and Processing (E)  Recording of Energy by the Sensor (D)  Interpretation and Analysis (F) (B) Radiación y la atmósfera Fuente de energía o iluminación (A) el primer requisito para la percepción remota es una fuente de energía que ilumine o emita energía electromagnética hacia el objeto de interés. Radiación y la atmósfera (B) - a lo largo que la energía viaja de la fuente hasta el objetivo, entrará en contacto e interactuará con la atmósfera que atraviesa. Esta interacción puede que ocurra una segunda vez cuando la energía retorna del objetivo al sensor. Interacción con el objetivo (C) - una vez que la energía se dirige al objetivo a través de la atmósfera, interactúa con el objetivo según las propiedades tanto del objetivo como aquellas de la radiación. Aplicación (G) - el útimo elemento del proceso de la percepción remota se logra cuando aplicamos la información que hemos podido extraer de las imágenes sobre el objetivo con la finalidad de entenderlo mejor, revelar alguna nueva información, o ayudar a resolver un problema en particular Grabación de la energía por el sensor (D) - después de que la energía ha sido esparcida por, o emitida desde el objetivo, requerimos un sensor (remoto – no en contacto con el objetivo) para recolectar y grabar la radiación electromagnética. Transmision, recepción, y procesamiento (E) - hay que transmitir la energía grabada por el sensor, a menudo en forma electrónica, a una estación donde se la recibe y se procesan los datos para crear una imagen (en papel y/o digital) Interpretación y analísis (F) - la imagen procesada se interpreta visual y/o digital y/o electrónicamente para extraer información acerca del objetivo que fue iluminado. Application (G)   Interaction with the Target (C)  7 Referencia: CCRS/CCT 7

8 El proceso de la percepción remota
Fuente de energía o iluminación Transmission, Reception, and Processing (E)  Recording of Energy by the Sensor (D)  Interpretation and Analysis (F) (B) Radiación y la atmósfera Fuente de energía o iluminación (A) el primer requisito para la percepción remota es una fuente de energía que ilumina o emite energía electromagnética hacia el objeto de interés. Radiación y la atmósfera (B) - a lo largo que la energía viaja de la fuente hasta el objetivo, entrará en contacto e interactuará con la atmósfera que atraviesa. Esta interacción puede que ocurra una segunda vez cuando la energía retorna del objetivo al sensor. Interacción con el objetivo (C) - una vez que la energía se dirige al objetivo a través de la atmósfera, interactúa con el objetivo según las propiedades tanto del objetivo como aquellas de la radiación. Aplicación (G) - el útimo elemento del proceso de la percepción remota se logra cuando aplicamos la información que hemos podido extraer de las imágenes sobre el objetivo con la finalidad de entenderlo mejor, revelar alguna nueva información, o ayudar a resolver un problema en particular Grabación de la energía por el sensor (D) - después de que la energía ha sido esparcida por, o emitida desde el objetivos, requerimos un sensor (remoto – no en contacto con el objetivo) para recolectar y grabar la radiación electromagnética. Transmision, recepción, y procesamiento (E) - hay que transmitir la energía grabada por el sensor, a menudo en forma electrónica, a una estación donde se la recibe y se procesan los datos para crear una imagen (en papel y/o digital) Interpretación y analísis (F) - la imagen procesada se interpreta visual y/o digital y/o electrónicamente para extraer información acerca del objetivo que fue iluminado. (C)  Interacción con el objetivo   Application (G)  8 Referencia: CCRS/CCT 8

9 El proceso de la percepción remota
Fuente de energía o iluminación Transmission, Reception, and Processing (E)  (D) Grabación de la energía por el sensor  Interpretation and Analysis (F) (B) Radiación y la atmósfera Fuente de energía o iluminación (A) el primer requisito para la percepción remota es una fuente de energía que ilumine o emita energía electromagnética hacia el objeto de interés. Radiación y la atmósfera (B) - a lo largo que la energía viaja de la fuente hasta el objetivo, entrará en contacto e interactuará con la atmósfera que atraviesa. Esta interacción puede que ocurra una segunda vez cuando la energía retorna del objetivo al sensor. Interacción con el objetivo (C) - una vez que la energía se dirige al objetivo a través de la atmósfera, interactúa con el objetivo según las propiedades tanto del objetivo como aquellas de la radiación. Grabación de la energía por el sensor (D) - después de que la energía ha sido esparcida por, o emitida desde el objetivo, requerimos un sensor (remoto – no en contacto con el objetivo) para recolectar y grabar la radiación electromagnética. Transmision, recepción, y procesamiento (E) - hay que transmitir la energía grabada por el sensor, a menudo en forma electrónica, a una estación donde se la recibe y se procesan los datos para crear una imagen (en papel y/o digital) Interpretación y analísis (F) - la imagen procesada se interpreta visual y/o digital y/o electrónicamente para extraer información acerca del objetivo que fue iluminado. Aplicación (G) - el útimo elemento del proceso de la percepción remota se logra cuando aplicamos la información que hemos podido extraer de las imágenes sobre el objetivo con la finalidad de entenderlo mejor, revelar alguna nueva información, o ayudar a resolver un problema en particular Application (G)  (C)  Interacción con el objetivo   9 Referencia: CCRS/CCT 9

10 El proceso de la percepción remota
Fuente de energía o iluminación (D) Grabación de la energía por el sensor Interpretation and Analysis (F) (E) Transmisión, recepción y procesamiento (B) Radiación y la atmósfera Fuente de energía o iluminación (A) el primer requisito para la percepción remota es una fuente de energía que ilumine o emita energía electromagnética hacia el objeto de interés. Radiación y la atmósfera (B) - a lo largo que la energía viaja de la fuente hasta el objetivo, entrará en contacto e interactuará con la atmósfera que atraviesa. Esta interacción puede que ocurra una segunda vez cuando la energía retorna del objetivo al sensor. Interacción con el objetivo (C) - una vez que la energía se dirige al objetivo a través de la atmósfera, interactúa con el objetivo según las propiedades tanto del objetivo como aquellas de la radiación. Aplicación (G) - el útimo elemento del proceso de la percepción remota se logra cuando aplicamos la información que hemos podido extraer de las imágenes sobre el objetivo con la finalidad de entenderlo mejor, revelar alguna nueva información, o ayudar a resolver un problema en particular Grabación de la energía por el sensor (D) - después de que la energía ha sido esparcida por, o emitida desde el objetivo, requerimos un sensor (remoto – no en contacto con el objetivo) para recolectar y grabar la radiación electromagnética. Transmision, recepción, y procesamiento (E) - hay que transmitir la energía grabada por el sensor, a menudo en forma electrónica, a una estación donde se la recibe y se procesan los datos para crear una imagen (en papel y/o digital) Interpretación y analísis (F) - la imagen procesada se interpreta visual y/o digital y/o electrónicamente para extraer información acerca del objetivo que fue iluminado. Application (G)  (C)  Interacción con el objetivo 10 Referencia: CCRS/CCT 10

11 El proceso de la percepción remota
Fuente de energía o iluminación (D) Grabación de la energía por el sensor  (E) Transmisión, recepción y procesamiento Interpretation and Analysis (F) (F) Interpretación y análisis (B) Radiación y la atmósfera Fuente de energía o iluminación (A) el primer requisito para la percepción remota es una fuente de energía que ilumine o emita energía electromagnética hacia el objeto de interés. Radiación y la atmósfera (B) - a lo largo que la energía viaja de la fuente hasta el objetivo, entrará en contacto e interactuará con la atmósfera que atraviesa. Esta interacción puede que ocurra una segunda vez cuando la energía retorna del objetivo al sensor. Interacción con el objetivo (C) - una vez que la energía se dirige al objetivo a través de la atmósfera, interactúa con el objetivo según las propiedades tanto del objetivo como aquellas de la radiación. Aplicación (G) - el útimo elemento del proceso de la percepción remota se logra cuando aplicamos la información que hemos podido extraer de las imágenes sobre el objetivo con la finalidad de entenderlo mejor, revelar alguna nueva información, o ayudar a resolver un problema en particular Grabación de la energía por el sensor (D) - después de que la energía ha sido esparcida por, o emitida desde el objetivo, requerimos un sensor (remoto – no en contacto con el objetivo) para recolectar y grabar la radiación electromagnética. Transmision, recepción, y procesamiento (E) - hay que transmitir la energía grabada por el sensor, a menudo en forma electrónica, a una estación donde se la recibe y se procesan los datos para crear una imagen (en papel y/o digital) Interpretación y analísis (F) - la imagen procesada se interpreta visual y/o digital y/o electrónicamente para extraer información acerca del objetivo que fue iluminado. (C)  Interacción con el objetivo   11 Referencia: CCRS/CCT 11

12 El proceso de la percepción remota
Fuente de energía o iluminación (A) Grabación de la energía por el sensor (D)  Transmisión, recepción y procesamiento (E)  Interpretación y análisis (F) Radiación y la atmósfera (B)  Fuente de energía o iluminación (A) el primer requisito para la percepción remota es una fuente de energía que ilumine o emita energía electromagnética hacia el objeto de interés. Radiación y la atmósfera (B) - a lo largo que la energía viaja de la fuente hasta el objetivo, entrará en contacto e interactuará con la atmósfera que atraviesa. Esta interacción puede que ocurra una segunda vez cuando la energía retorna del objetivo al sensor. Interacción con el objetivo (C) - una vez que la energía se dirige al objetivo a través de la atmósfera, interactúa con el objetivo según las propiedades tanto del objetivo como aquellas de la radiación. Aplicación (G) - el útimo elemento del proceso de la percepción remota se logra cuando aplicamos la información que hemos podido extraer de las imágenes sobre el objetivo con la finalidad de entenderlo mejor, revelar alguna nueva información, o ayudar a resolver un problema en particular Grabación de la energía por el sensor (D) - después de que la energía ha sido esparcida por, o emitida desde el objetivo, requerimos un sensor (remoto – no en contacto con el objetivo) para recolectar y grabar la radiación electromagnética. Transmision, recepción, y procesamiento (E) - hay que transmitir la energía grabada por el sensor, a menudo en forma electrónica, a una estación donde se la recibe y se procesan los datos para crear una imagen (en papel y/o digital) Interpretación y analísis (F) - la imagen procesada se interpreta visual y/o digital y/o electrónicamente para extraer información acerca del objetivo que fue iluminado. (G) Aplicación  Interacción con el objetivo (C)  12 Referencia: CCRS/CCT 12

13 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. 13

14 Clasificaciónes de satélites/sensores
Algunas de las formas de clasificar 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 …

15 Hay muchos tipos de sensores remotos
Esta diapositiva es para su futura referencia – no hablaremos al respecto aquí en la capacitación. 15

16 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

17 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 17

18 Tipos de órbita comunes
Geoestacionaria Polar Órbita polar órbita circular fija sobre la Tierra, ~ km en órbita heliosincrónica pasando sobre el mismo punto aproximadamente a la misma hora local solar cada día Órbita geoestacionaria Una órbita que tiene el mismo período de rotación que la Tierra Parece estar ‘fija’ sobre la línea ecuatorial a unos ~36,000km 18

19 Ascendiente vs descendiente
Órbitas polares

20 MODIS-Aqua (órbita “ascendiente”) MODIS-Terra (“descendiente”)
Aproximadamente 13h30 hora de paso local Satélite vespertino MODIS-Terra (“descendiente”) Aproximadamente 10h30 AM hora de paso local Satélite matutino 20 20 20

21 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. Es imprescindible saber acerca de estos parámetros para poder entender verdaderamente las capacidades de los satélites y sus productos y la calidad de los productos. 21

22 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. 22

23 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 23

24 Resolución espacial 24 Tamaño
de pixel fuera del nadir 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. Campo de Vista (FOV) IFOV Altura del satélite Note que en el nadir el tamaño del pixel es más fino y que para sensores de barrido ancho tales como MODIS y AVHRR el tamaño del pixel al extremo del barrido es mucho más grande. Tamaño de pixel en el nadir Incremento en tamaño de pixel Efecto mariposa Dirección del vuelo Dirección de escaneo 24

25 ¿Por qué es importante la resolución espacial?

26 Resolución espectral -
26

27 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 27

28 Espesor óptico Longitud de onda (nm) Para captar la información contenida dentro de una región espectral angosta – se requieren instrumentos hiperespectrales como OMI, or AIRS

29 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 niveles Sensor de 8 bits (Landsat TM) – 28 o 256 niveles (0-255) Sensor de 6 bits (Landsat MSS) – 26 o 64 niveles (0-63) 29

30 Resolución radiométrica
4 - niveles 2 - niveles 16 - niveles 8 - niveles Cuando se clasifica una escena, las diferentes clases se pueden identificar con más precisión si la precisión radiométrica es alta.

31 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

32 Percepción remota – compromisos
MODIS 500 Metros Imagen en color real Imagen Aster Resolución 15 M 32

33 Percepción remota – compromisos
2300 KM 2300 KM 60 KM MODIS 500 Meter True color image 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

34 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. 34

35 Capacidades de instumentos – para la calidad del aire
Captadores de imágenes Radiómetros MODIS – Terra y Aqua Resolución de 250m-1 KM MISR Resolución de 275m- 1.1 KM Polder Resolución de 6 KM Resolución de 13 x 24 KM Resolución de 40 x 80 KM Hay muchas formas de ordenar los satélites de percepción remota: Según la órbita, tipo de sensor, función de sensor etc. Resolución de 30 x 60 KM 35 35

36 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 36

37 Productos geofísicos Imágenes 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 vegetación 37

38 Cosas importantes que el usuario debe tomar en cuenta y que pueden cambiar con cada instrumento
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 38 38

39 La 2da tarea debe entregarse el martes 14 de enero de 2014
Tarea para casa La 2da tarea debe entregarse el martes 14 de enero de 2014 39

40 Referencias y enlaces Pagína en línea de ARSET-AQ
Cursillo de percepción remota Intoducción al procesamiento de imágenes digitales – texto de Jensen age+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) 40