¿qué física usa la teledetección? - ocw...
TRANSCRIPT
¿Qué Física usa la Teledetección?
DRP
DFMF – UNED
26 de Octubre 2007
DRP (DFMF – UNED) ¿Qué Física usa la Teledetección? 26 de Octubre 2007 1 / 29
FísicaConceptos de Física involucrados
Electromagnetismo
I ondas electromagnéticas
Electrónica
I electrones y fotones
Óptica
I reflexión, refracción, transmisión, absorción y dispersión
DRP (DFMF – UNED) ¿Qué Física usa la Teledetección? 26 de Octubre 2007 2 / 29
FísicaConceptos útiles derivados
Espectro
I bandas, radiancia
Detectores
I detectores, espectrorradiómetros
Firma espectral
I transmisividad atmosférica, absorción molecular, dispersión en materiales
CuidadoMucho más complicado que lo que se cuenta. . .. . . pero lo que se cuenta basta para empezar!
DRP (DFMF – UNED) ¿Qué Física usa la Teledetección? 26 de Octubre 2007 3 / 29
FísicaConceptos útiles derivados
Espectro
I bandas, radiancia
Detectores
I detectores, espectrorradiómetros
Firma espectral
I transmisividad atmosférica, absorción molecular, dispersión en materiales
CuidadoMucho más complicado que lo que se cuenta. . .. . . pero lo que se cuenta basta para empezar!
DRP (DFMF – UNED) ¿Qué Física usa la Teledetección? 26 de Octubre 2007 3 / 29
Ondas electromagnéticasCampo electromagnético
Campo eléctrico
I creado por cargas(las cargas se conservan)
Campo magnético
I creado por corrientes(las corrientes no se conservan)
Campo eléctrico inducido
I creado por campos magnéticos variables(∼corrientes cambiantes)
Campo magnético inducido
I creado por campos eléctricos variables(∼cargas cambiantes)
Campo magneticoH
Plano de polarizacionΠ
Vector de propagacion k
Campo electricoE
Longitud de onda λ
Am
plitu
d
Intensidad
DRP (DFMF – UNED) ¿Qué Física usa la Teledetección? 26 de Octubre 2007 4 / 29
Ondas electromagnéticasCampo electromagnético
Campo eléctrico
I creado por cargas(las cargas se conservan)
Campo magnético
I creado por corrientes(las corrientes no se conservan)
Campo eléctrico inducido
I creado por campos magnéticos variables(∼corrientes cambiantes)
Campo magnético inducido
I creado por campos eléctricos variables(∼cargas cambiantes)
Campo magneticoH
Plano de polarizacionΠ
Vector de propagacion k
Campo electricoE
Longitud de onda λ
Am
plitu
d
Intensidad
DRP (DFMF – UNED) ¿Qué Física usa la Teledetección? 26 de Octubre 2007 4 / 29
Ondas electromagnéticasCampo electromagnético
Campo magneticoH
Plano de polarizacionΠ
Vector de propagacion k
Campo electricoE
Longitud de onda λ
Am
plitu
d
Intensidad
Campo eléctrico
I cambios en la materia:moléculas, átomos y electrones
Campo magnético inducido
I VARIABLE: percibido por lasantenas
Campo electromagnético
I longitud de onda vs. frecuencia:λν = c
I amplitud vs. intensidad: I ∝ E20
I vectores de propagación k ypolarización ε
DRP (DFMF – UNED) ¿Qué Física usa la Teledetección? 26 de Octubre 2007 5 / 29
Ondas electromagnéticasCampo electromagnético
Campo magneticoH
Plano de polarizacionΠ
Vector de propagacion k
Campo electricoE
Longitud de onda λ
Am
plitu
d
Intensidad
Campo eléctrico
I cambios en la materia:moléculas, átomos y electrones
Campo magnético inducido
I VARIABLE: percibido por lasantenas
Campo electromagnético
I longitud de onda vs. frecuencia:λν = c
I amplitud vs. intensidad: I ∝ E20
I vectores de propagación k ypolarización ε
DRP (DFMF – UNED) ¿Qué Física usa la Teledetección? 26 de Octubre 2007 5 / 29
Ondas electromagnéticasEspectro matemático
Descomposición frecuencial del campo
I cualquier señal se puede expresar como suma de señales con frecuenciasdadas
E(x, t) = ∑ν
Eν(x)cos(2πνt +ϕν)
F Teorema de Fourier
I la energía total es suma de las energías de las distintas frecuencias
I (x) = ∑ν
Iν(x)
I Espectro:
F reparto de energías por frecuenciasF reparto de energías por longitudes de onda
λ = c/ν
DRP (DFMF – UNED) ¿Qué Física usa la Teledetección? 26 de Octubre 2007 6 / 29
Ondas electromagnéticasEspectro electromagnético
Rangos de frecuencias
I frecuencias bajas
F microondas, ondasde radio
I frecuencias medias
F infrarrojo, luz visible
I frecuencias altas
F ultravioleta
I frecuencias muy altas
F rayos X, rayos γ
Frecuencias usadas enTeledetección
I visibleI infrarrojo cercano (NIR)I infrarrojo medio (SWIR)I infrarrojo lejano/térmico
(TIR)I . . .I Microondas (RADAR)
¿Longitud de onda o frecuencia?
Las radiaciones de frecuencias medias y altas, se describen dando sulongitud de onda. Esto es así, porque se analizan con rejillas dedifracción, que separan las longitudes de onda.
Las radiaciones de frecuencias bajas, se analizan mediante circuitoselectrónicos, por lo que se describen bien con las frecuencias deoscilación de éstos.
DRP (DFMF – UNED) ¿Qué Física usa la Teledetección? 26 de Octubre 2007 7 / 29
Ondas electromagnéticasEspectro electromagnético
Rangos de frecuencias
I frecuencias bajas
F microondas, ondasde radio
I frecuencias medias
F infrarrojo, luz visible
I frecuencias altas
F ultravioleta
I frecuencias muy altas
F rayos X, rayos γ
Frecuencias usadas enTeledetección
I visibleI infrarrojo cercano (NIR)I infrarrojo medio (SWIR)I infrarrojo lejano/térmico
(TIR)I . . .I Microondas (RADAR)
¿Longitud de onda o frecuencia?
Las radiaciones de frecuencias medias y altas, se describen dando sulongitud de onda. Esto es así, porque se analizan con rejillas dedifracción, que separan las longitudes de onda.
Las radiaciones de frecuencias bajas, se analizan mediante circuitoselectrónicos, por lo que se describen bien con las frecuencias deoscilación de éstos.
DRP (DFMF – UNED) ¿Qué Física usa la Teledetección? 26 de Octubre 2007 7 / 29
Ondas electromagnéticasEspectro usado en Teledetección
visible
infrarrojo
I infrarrojo cercano (NIR)I infrarrojo medio (SWIR)I infrarrojo lejano/térmico
(TIR)I . . .
Microondas (RADAR)
10 8
10 9
10 10
10 11
10 12
10 13
10 14
10 15
10 16
10 18
10 19
10 7
10 17
300 mµ
3 mµ
30 mµ
3 A
0.3 A
0.4 mµ
0.7 mµ
R
B
G
3 m
3 cm
3 mm
30 nm
3 nm
30 m
30 cm
300 nm
Frecuencia, MHz Longitud de onda
UV
IR
SWIRNIR
TIR
MW
RW
DRP (DFMF – UNED) ¿Qué Física usa la Teledetección? 26 de Octubre 2007 8 / 29
Ondas electromagnéticasEspectro electromagnético del sol
Espectro solar:
I espectro de cuerponegro T ' 6000 K
I espectro de absorción
F atmósfera solar:líneas
F atmósfera terrestre:bandas
Ventanas atmosféricas
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
500 1000 1500 2000 2500R
adia
ncia
Longitud de onda (nm)
DRP (DFMF – UNED) ¿Qué Física usa la Teledetección? 26 de Octubre 2007 9 / 29
Fotones y electronesTeoría cuántica
Cuantización de la energíaεν = hν
Cuantización de la materia
λdB = h/mv
Probabilidades de transición
w(1→ 2) =λΓ2
12w0
(hν−∆E12)2 + 14 Γ2
12
Espectro de emisión/absorción
ν =Efinal−Einicial
h↔ λ =
hc
Efinal−Einicial
DRP (DFMF – UNED) ¿Qué Física usa la Teledetección? 26 de Octubre 2007 10 / 29
Fotones y electronesTeoría cuántica
E 6
E 4
E 3E 2
E 1
E 0
E 5
E 6
E 4
E 3E 2
E 1
E 0
E 5
Espectro de emision Espectro de absorcion
Nive
les
ener
getic
os
Espectros de emisión y absorción
Espectro “blanco”: igual energía para todas las frecuencias
Espectro de emisión: la energía sólo en ciertas frecuencias y no en elresto de ellas
Espectro de absorción: la energía desviada de ciertas frecuencias, nollega al observador
absorcion+emision=blancoLas frecuencias que faltan en el espectro de absorción son las que aparecenen el espectro de emisión de la sustancia correspondiente
DRP (DFMF – UNED) ¿Qué Física usa la Teledetección? 26 de Octubre 2007 11 / 29
Fotones y electronesTeoría cuántica
E 6
E 4
E 3E 2
E 1
E 0
E 5
E 6
E 4
E 3E 2
E 1
E 0
E 5
Espectro de emision Espectro de absorcion
Nive
les
ener
getic
osEspectros de emisión y absorción
Espectro “blanco”: igual energía para todas las frecuencias
Espectro de emisión: la energía sólo en ciertas frecuencias y no en elresto de ellas
Espectro de absorción: la energía desviada de ciertas frecuencias, nollega al observador
absorcion+emision=blancoLas frecuencias que faltan en el espectro de absorción son las que aparecenen el espectro de emisión de la sustancia correspondiente
DRP (DFMF – UNED) ¿Qué Física usa la Teledetección? 26 de Octubre 2007 11 / 29
Fotones y electronesTeoría cuántica
E 6
E 4
E 3E 2
E 1
E 0
E 5
E 6
E 4
E 3E 2
E 1
E 0
E 5
Espectro de emision Espectro de absorcion
Nive
les
ener
getic
osEspectros de emisión y absorción
Espectro “blanco”: igual energía para todas las frecuencias
Espectro de emisión: la energía sólo en ciertas frecuencias y no en elresto de ellas
Espectro de absorción: la energía desviada de ciertas frecuencias, nollega al observador
absorcion+emision=blancoLas frecuencias que faltan en el espectro de absorción son las que aparecenen el espectro de emisión de la sustancia correspondiente
DRP (DFMF – UNED) ¿Qué Física usa la Teledetección? 26 de Octubre 2007 11 / 29
EspectrosAtómicos y moleculares
Característico (¿único?) decada sustancia
I átomos→ líneasI moléculas→ bandas
Bandas de absorción
I análisis químico 0.001
0.01
0.1
1
10
100
1000
600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600−1
(cm
)
Coef
icien
te d
e ab
sorc
ion
Longitud de onda (nm)
DRP (DFMF – UNED) ¿Qué Física usa la Teledetección? 26 de Octubre 2007 12 / 29
EspectrosEl cuerpo negro
Espectro de cuerpo negro
W =2πhc2
λ5
1
exp(hc/λkBT )−1
I W = σT 4, σ =5,7×10−8 W/m2/K4
I λT = 2898µm K 0
1000
2000
3000
4000
5000
500 1000 1500 2000 2500
µ(W
m
m
)
−2
−1
Irra
dia
ncia
esp
ectr
al
Longitud de onda (nm)
DRP (DFMF – UNED) ¿Qué Física usa la Teledetección? 26 de Octubre 2007 13 / 29
EspectrosReales
Espectro continuo
I cuerpo negro
Espectro solar(extraterrestre)
I cuerpo negro -absorción elementos
Luz solar en superficie
I cuerpo negro -absorción atmosférica
0
0.5
1
1.5
2
2.5
500 1000 1500 2000 2500Ir
radi
anci
a es
pect
ral(
W m
/n
m)
−2
Espectro de cuerpo negro a 6000 K
Espectro solar extraterrestre
Espectro solar en la superficie terrestre
Longitud de onda (nm)
DRP (DFMF – UNED) ¿Qué Física usa la Teledetección? 26 de Octubre 2007 14 / 29
DetectoresEspectrorradiómetros
Analizador
I descomposición de laluz en longitudes deonda
I prismaI rejilla de difracción
Detectores de luz
I CCDI “CCD por nanómetro”
Entrada de luz
Espejo
Analizador
Det
ecto
r
Hardware+softwareEspectrorradiómetro: fibra óptica+analizador+detector+ordenador
DRP (DFMF – UNED) ¿Qué Física usa la Teledetección? 26 de Octubre 2007 15 / 29
DetectoresEspectrorradiómetros
Analizador
I descomposición de laluz en longitudes deonda
I prismaI rejilla de difracción
Detectores de luz
I CCDI “CCD por nanómetro”
Entrada de luz
Espejo
Analizador
Det
ecto
r
Hardware+softwareEspectrorradiómetro: fibra óptica+analizador+detector+ordenador
DRP (DFMF – UNED) ¿Qué Física usa la Teledetección? 26 de Octubre 2007 15 / 29
Energía en una superficieBalance: saliente, entrante
Energía total
I potencia radiada (W)I flujo saliente, ΦE
Energía emitida por unidadde superficie
I densidad de flujoradiante, jE(x ,y)(W/m2)
Emitancia, E(x ,y) (W/m2)
Energía total
I potencia absorbida (W)I flujo incidente, ΦI
Energía absorbida porunidad de superficie
I densidad de flujoradiante, jI(x ,y) (W/m2)
Irradiancia, M(x ,y)(W/m2)
...Espectrales
Las magnitudes radiométricas espectrales se refieren a la energía que setransporta en las distintas longitudes de onda.
DRP (DFMF – UNED) ¿Qué Física usa la Teledetección? 26 de Octubre 2007 16 / 29
Energía en una superficieBalance: saliente, entrante
Energía total
I potencia radiada (W)I flujo saliente, ΦE
Energía emitida por unidadde superficie
I densidad de flujoradiante, jE(x ,y)(W/m2)
Emitancia, E(x ,y) (W/m2)
Energía total
I potencia absorbida (W)I flujo incidente, ΦI
Energía absorbida porunidad de superficie
I densidad de flujoradiante, jI(x ,y) (W/m2)
Irradiancia, M(x ,y)(W/m2)
...Espectrales
Las magnitudes radiométricas espectrales se refieren a la energía que setransporta en las distintas longitudes de onda.
DRP (DFMF – UNED) ¿Qué Física usa la Teledetección? 26 de Octubre 2007 16 / 29
Energía sobre una superficieDirección de procedencia
Radiancia, L(x ,y ; θ,ϕ)
L(x ,y ; θ,ϕ)dS(x ,y)dΩ(θ,ϕ) =d2ΦI
dSdΩdS(x ,y)dΩ(θ,ϕ)
Radiancia espectral, L(x ,y ; θ,ϕ; λ)
L(x ,y ; θ,ϕ;λ)dS(x ,y)dΩ(θ,ϕ)dλ =d2ΦI(λ)dSdΩdλ
dS(x ,y)dΩ(θ,ϕ)dλ
DRP (DFMF – UNED) ¿Qué Física usa la Teledetección? 26 de Octubre 2007 17 / 29
Energía sobre una superficieDirección de procedencia
Radiancia, L(x ,y ; θ,ϕ)
dθ
dΩ
dθ
dS
... al detector
... conducto de admision
... a la fuente emisora
Espectrorradiómetro
El espectrorradiómetro mide radiancia espectral: la luz entra por una fibraóptica
superficie de entrada (∆S ∼ 1 mm2)
ángulo de admisión (∆θ∼ 25o)
resolución espectral (∆λ∼ 1 nm)
DRP (DFMF – UNED) ¿Qué Física usa la Teledetección? 26 de Octubre 2007 18 / 29
Balance energéticoConservación de la energía
ΦI = Φr +Φd +Φa +Φt
Referido a la energía incidente:
1 = ρs +ρd︸ ︷︷ ︸ρ
+α+ τ
ρ: reflectividad
I ρs: reflectividadsuperficial
I ρd : reflectividad interna
α: absortividad
τ: transmisividad
. . . -ividadEl sufijo -ividad indica que se trata de magnitudes relativas.
. . . -ividad espectral
El flujo espectral no se conserva, en general. Sin embargo. . .
Se definen las ρλ, αλ y τλ para estudiar el efecto de la materia sobrecada longitud de onda del espectro
DRP (DFMF – UNED) ¿Qué Física usa la Teledetección? 26 de Octubre 2007 19 / 29
Balance energéticoConservación de la energía
ΦI = Φr +Φd +Φa +Φt
Referido a la energía incidente:
1 = ρs +ρd︸ ︷︷ ︸ρ
+α+ τ
ρ: reflectividad
I ρs: reflectividadsuperficial
I ρd : reflectividad interna
α: absortividad
τ: transmisividad
. . . -ividadEl sufijo -ividad indica que se trata de magnitudes relativas.
. . . -ividad espectral
El flujo espectral no se conserva, en general. Sin embargo. . .
Se definen las ρλ, αλ y τλ para estudiar el efecto de la materia sobrecada longitud de onda del espectro
DRP (DFMF – UNED) ¿Qué Física usa la Teledetección? 26 de Octubre 2007 19 / 29
Balance energéticoConservación de la energía
ΦI = Φr +Φd +Φa +Φt
Referido a la energía incidente:
1 = ρs +ρd︸ ︷︷ ︸ρ
+α+ τ
ρ: reflectividad
I ρs: reflectividadsuperficial
I ρd : reflectividad interna
α: absortividad
τ: transmisividad
. . . -ividadEl sufijo -ividad indica que se trata de magnitudes relativas.
. . . -ividad espectral
El flujo espectral no se conserva, en general. Sin embargo. . .
Se definen las ρλ, αλ y τλ para estudiar el efecto de la materia sobrecada longitud de onda del espectro
DRP (DFMF – UNED) ¿Qué Física usa la Teledetección? 26 de Octubre 2007 19 / 29
Espectros de. . .absorción, transmisión y reflexión
Firmas espectrales = espectro de absorción, transmisión, reflexión
I α(λ), τ(λ): experimentos de extinción
F campo: evaluación de aguasF laboratorio: composición de disoluciones
I ρ(λ): observación de luz reflejada
F campo: [luz reflejada]/[luz incidente]F teledetección: [luz reflejada]/[¿luz incidente?]
Hipótesis: cada sustancia tiene una firma única
Hipótesis: una firma caracteriza una sustancia
ProblemaMezclas de sustancias:
¿cómo separar/distinguir las firmas?
“arte” de la espectroscopía
DRP (DFMF – UNED) ¿Qué Física usa la Teledetección? 26 de Octubre 2007 20 / 29
Espectros de. . .absorción, transmisión y reflexión
Firmas espectrales = espectro de absorción, transmisión, reflexión
I α(λ), τ(λ): experimentos de extinción
F campo: evaluación de aguasF laboratorio: composición de disoluciones
I ρ(λ): observación de luz reflejada
F campo: [luz reflejada]/[luz incidente]F teledetección: [luz reflejada]/[¿luz incidente?]
Hipótesis: cada sustancia tiene una firma única
Hipótesis: una firma caracteriza una sustancia
ProblemaMezclas de sustancias:
¿cómo separar/distinguir las firmas?
“arte” de la espectroscopía
DRP (DFMF – UNED) ¿Qué Física usa la Teledetección? 26 de Octubre 2007 20 / 29
Bandas prohibidas
Bandas de absorción atmosférica
Ozono
Vapor de agua
CO2
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
500 1000 1500 2000 2500
Rad
ianc
ia
Longitud de onda (nm)
Si ΦI(λ)' 0, no se puedencalcular α(λ), τ(λ), ρ(λ)
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
500 1000 1500 2000 2500
Longitud de onda (nm)
Ref
lect
ivid
ad
DRP (DFMF – UNED) ¿Qué Física usa la Teledetección? 26 de Octubre 2007 21 / 29
Lectura de un espectroEfectos de la estructura
Efectos de la dispersión
Magnificación por absorción-reflexión
¿Difracción?
La difracción en las estructuras de las cubiertas naturales (> 10µm) no esimportante:
La luz se propaga siguiendo rayos de la óptica geométrica.
DRP (DFMF – UNED) ¿Qué Física usa la Teledetección? 26 de Octubre 2007 22 / 29
Lectura de un espectroEfectos de la estructura
Efectos de la dispersión
Magnificación por absorción-reflexión
¿Difracción?
La difracción en las estructuras de las cubiertas naturales (> 10µm) no esimportante:
La luz se propaga siguiendo rayos de la óptica geométrica.
DRP (DFMF – UNED) ¿Qué Física usa la Teledetección? 26 de Octubre 2007 22 / 29
Espectros prototipoVegetales
Características:
absorción alta en el visible
I clorofila: color de lashojas
alta reflectividad en el NIR
I dispersión en el mesófiloI valles de absorción de
agua
vigor vegetal / hoja seca.
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
500 1000 1500 2000 2500
Longitud de onda (nm)
Ref
lect
ivid
ad
DRP (DFMF – UNED) ¿Qué Física usa la Teledetección? 26 de Octubre 2007 23 / 29
Espectros prototipoEstructura de una hoja
Características:
reflexión en la cutícula
mesófilo en empalizada
I absorción porcloroplastos
mesófilo esponjoso
I dispersión por huecosde aire
I más cuantos máshuecos
I menos cuanto mayoreshuecos
Reflexion
Absorcion
Transmision
Dispersion
DRP (DFMF – UNED) ¿Qué Física usa la Teledetección? 26 de Octubre 2007 24 / 29
Espectros prototipoSuelos
Características:
baja reflectividad
I absorción por minerales
aumento continuo en NIR
I reflexión difusa ensuperficie
I valles de absorción deagua
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
500 1000 1500 2000 2500
Longitud de onda (nm)
Ref
lect
ivid
ad
DRP (DFMF – UNED) ¿Qué Física usa la Teledetección? 26 de Octubre 2007 25 / 29
Espectros prototipoSuelos
Características:
disminución dereflectividad
I contenido orgánicoI humedad
aumento de reflectividad
I finura del grano
valles de absorción dehierro
I 900 nm
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
500 1000 1500 2000 2500
Longitud de onda (nm)
Ref
lect
ivid
ad
DRP (DFMF – UNED) ¿Qué Física usa la Teledetección? 26 de Octubre 2007 26 / 29
Espectros prototipoAgua fluvial
Limpia
I muy baja reflectividad(< 1%)
Con partículas ensuspensión
I mayor concentración,mayor reflectividad
I mayor concentración,mayores longitudes deonda
400
0.1
0
0.2
0.3
0.4
0.5
600 700 800 900 1000 1100500
Longitud de onda (nm)R
efle
ctiv
idad
DRP (DFMF – UNED) ¿Qué Física usa la Teledetección? 26 de Octubre 2007 27 / 29
Espectros prototipoNieve y hielo
Nieve
I muy alta reflectividad(' 100%)
Fusión / compactación
I disminuye lareflectividad
4000
600 700 800 900 1000 1100500
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1200
Ref
lect
ivid
ad
Longitud de onda (nm)
Nieve fresca
Hielo de glaciar
Hielo refundido
DRP (DFMF – UNED) ¿Qué Física usa la Teledetección? 26 de Octubre 2007 28 / 29
Recapitulación. . . lo que tiene que quedar
espectro electromagnético
I diferentes energías a diferentes longitudes de ondaI cambios de energía electrónicos
absorción atmosférica por moléculas de gas
I ventanas atmosféricas
absorción en las cubiertas
I composición: mínimos de reflectancia
reflexiones en las cubiertas
I estructura porosa o de capas: mayor reflectividad
discriminación de firmas espectrales por cubiertas
DRP (DFMF – UNED) ¿Qué Física usa la Teledetección? 26 de Octubre 2007 29 / 29