TELEDETECCION

Fundamentals of Remote Sensing

• Satellites and Sensors

• Types

• Resolution

• Levels of Satellite Data Processing

• Projections and Coordinate Systems

• Advantages and Disadvantages of Remote Sensing

• Remote Sensing Technology

Fundamentos de la Teledetección

• Satélites y Sensores

• Tipos

• Resolución

• Niveles de Procesamiento de Datos Satelitales

• Proyecciones y Sistemas de Coordenadas

• Ventajas y Desventajas de la Teledetección

• Tecnología de Teledetección

• • The energy that Earth receives from the Sun is called electromagnetic radiation.

• • This radiation is reflected, absorbed, and emitted by Earth's surface, as shown in the diagram on the left.

• • Satellites carry instruments or sensors that measure the electromagnetic radiation reflected or emitted by both terrestrial and atmospheric sources.

• • With calibrated instruments, scientists can measure altitude, temperature, moisture content (and more) for almost every attribute of Earth's atmosphere, hydrosphere, lithosphere, and biosphere.

• • La energía que la Tierra recibe del Sol se llama radiación electromagnética.

• • La radiación es reflejada, absorbida y emitida por la superficie de la Tierra como se ve en este diagrama a la izquierda.

• • Los satélites llevan instrumentos o sensores que miden la radiación electromagnética reflejada o emitida por fuentes tanto terrestres como atmosféricas.

• • Con instrumentos calibrados, los científicos pueden medir la altura, temperatura, el contenido húmedo (y más) para casi todos los atributos de la atmósfera, hidrosfera, litosfera e biosfera de la Tierra.

• • Different materials reflect and absorb electromagnetic radiation waves of different wavelengths.

• • Different materials reflect and absorb electromagnetic radiation waves of different wavelengths. • The different wavelengths detected by a sensor can be seen, and the type of material from which they were reflected can be determined. This is known as a spectral signature.

• • In the graph on the left, compare the relationship between the percentage of reflectance and the reflective wavelengths of different components of the Earth's surface.

• • Diferentes materiales reflejan y absorben ondas de radiación electromagnética de diferentes longitudes.

• • Se pueden ver las diferentes longitudes de las ondas detectadas por un sensor y determinar el tipo de material del cual fueron reflejadas. Esto se conoce como una firma espectral

• • En el gráfico a la izquierda, compare la relación entre el porcentaje de reflectancia y las longitudes de onda reflectivas de los diferentes componentes de la superficie terrestre.

Water

• • Longer wavelengths (green and red) and near-infrared radiation are absorbed more by water than shorter wavelengths (blue) – therefore, water typically appears blue or blue-green.

• • Satellites have the ability to map the optically active components of the upper water column in inland waters and nearshore areas.

Atmosphere

• From the Sun to Earth and back to the sensor, electromagnetic energy passes through the atmosphere twice.

• Much of the incident energy is absorbed and scattered by gases and aerosols in the atmosphere before reaching Earth's surface.

• Atmospheric correction removes the effects of scattering and absorption by the atmosphere to obtain surface reflectance, thus characterizing its properties.

Agua

• • Las longitudes de onda más largas (verdes y rojas) y la radiación infrarroja cercana son más absorbidas por el agua que las longitudes de onda más cortas (azules) – por lo tanto, el agua normalmente se ve azul o verde-azul.

• • Los satélites tienen la capacidad para mapear los componentes ópticamente activos de la parte superior de la columna de agua en aguas interiores y cerca de la costa.

Atmósfera

• • Desde el Sol hasta la Tierra y de vuelta al sensor, la energía electromagnética pasa a través de la atmósfera dos veces.

• • Gran parte de la energía incidente es absorbida y dispersada por gases y aerosoles en la atmósfera antes de llegar a la superficie terrestre.

• • La corrección atmosférica remueve los efectos de la dispersión y absorción por parte de la atmósfera para obtener la reflectancia de la superficie caracterizando las propiedades de la misma.

Satellites carry sensors or instruments. Sensor names are usually acronyms that may include the satellite's name.

Los satélites llevan sensores o instrumentos. Los nombres de los sensores normalmente son acrónimos que pueden incluir el nombre del satélite.

• Orbits: Polar/Non-Polar vs. Geostationary

• Power Source: Passive vs. Active

• Solar and Terrestrial Spectra: Visible, UV, IR, Microwave...

• Measurement Technique: Scanning; Non-scanning; Image Acquisition: Probes

• Resolution Type and Quality: Spatial, Temporal, Spectral, Radiometric

• Applications: Meteorology, Ocean Color, Soil Mapping, Air Quality, Radiative Balance

Geostationary Orbit

• • • Geostationary satellites typically orbit at approximately 36,000 km above the equator with the same rotation period as the Earth.

  • • Multiple observations per day

  • • Limited spatial coverage—observations are always of the same area

  • • Examples: Weather or communications satellites. Video Source: NASA

• Órbitas: Órbita Polar/No Polar vs. Geoestacionaria

• Fuente de Energía: Pasiva vs. Activa

• Espectros Solar y Terrestre: Visible, UV, IR, Microondas...

• Técnica de Medición: Escaneado; No-escaneado; Captador de Imágenes: Sondas

• Tipo y Calidad de Resoluciones: Espacial, Temporal, Espectral, Radiométrica

• Aplicación: Meteorología, Color Oceánico, Mapeo del Suelo, Calidad del Aire, Balance Radiativo

Órbita Geoestacionaria

• • Por lo general, los satélites geoestacionarios orbitan a ~36.000 km sobre la línea ecuatorial con el mismo período de rotación que la Tierra.

• • Varias observaciones al día

• • Cobertura espacial limitada—las observaciones son siempre de la misma área

• • Ejemplos: Satélites meteorológicos o de comunicaciones Fuente del Video: NASA

Low Earth Orbit (LEO)

• • Orbit relative to the Earth—their orbit can be polar or non-polar

• • Less frequent measurements

• • Global (or near-global) spatial coverage

• • Examples:

  • • • Polar: Landsat or Terra

    • • Non-polar: ISS or GPM

Video Source: NASA

Órbita Terrestre Baja (Low Earth Orbit o LEO)

• • Orbitan con respecto a la Tierra – su órbita puede ser polar o no polar

• • Mediciones menos frecuentes

• • Cobertura espacial global (o casi global)

• • Ejemplos:

  • • • Polar: Landsat o Terra

    • • No polar: ISS o GPM

Fuente del Video: NASA

Polar Orbit and Sun-Synchronous Orbit (SSO)

• • Global coverage

• • Varied measurement frequency (from once a day to once a month)

• • Larger swath size means higher temporal resolution

• • Sun-synchronous orbit satellites passing over polar regions are in sync with the Sun—this means the satellite is always revisiting the region the same location at the same local time (e.g., it passes over the city of Paris every day at noon).

Video Source: NASA

Órbita Polar y Órbita Heliosincrónica (SunSynchronous Orbit o SSO)

• • Cobertura global

• • Frecuencia de medición variada (de una vez al día hasta una vez al mes)

• • El tamaño más grande del barrido significa una resolución temporal más alta

• • Los satélites en órbita heliosincrónica pasando sobre las regiones polares están en sincronía con el Sol—esto significa que el satélite siempre visita el mismo lugar a la misma hora local (p.ej., pasa sobre la ciudad de París todos los días a las 12 del mediodía).

Fuente del Video: NASA

Satellite Sensors: Passive

• Passive remote sensors measure radiant energy reflected or emitted by the Earth-atmosphere system or changes in Earth's gravity.

• Radiant energy is converted into biogeophysical quantities such as temperature, precipitation, and soil moisture.

• Examples: Landsat OLI/TIRS, Terra MODIS, GPM, GMI, GRACE, etc.

• https://earthdata.nasa.gov/learn/remotesensors/passive-sensors

Sensores Satelitales: Pasivos

• Los sensores remotos pasivos miden energía radiante reflejada o emitida por el sistema Tierra-atmósfera o cambios en la gravedad de la Tierra.

• La energía radiante se convierte en cantidades biogeofísicas como temperatura, precipitación y humedad del suelo.

• Ejemplos: Landsat OLI/TIRS, Terra MODIS, GPM, GMI, GRACE etc.

• https://earthdata.nasa.gov/learn/remotesensors/passive-sensors

Active Satellite Sensors

• Active sensors provide their own power source for illumination.

• Most active sensors operate in the microwave region of the electromagnetic spectrum, allowing them to penetrate the atmosphere under most conditions and enabling use day or night.

• They have a variety of applications related to meteorology and the observation of Earth's surface and atmosphere.

• Examples: Laser altimeters, LiDAR, radar, scatterometers, probes

• Missions: Sentinel-1 (C-SAR), ICESat-2 (ATLAS), GPM (DPR)

• https://earthdata.nasa.gov/learn/remotesensors/active-sensors

Sensores Satelitales: Activos

• Los sensores activos proporcionan su propia fuente de energía para la iluminación

• La mayoría de los sensores activos opera en la región de las microondas en el espectro electromagnético, lo que permite penetrar la atmósfera bajo la mayoría de las condiciones y se pueden usar de día o de noche.

• Tienen una variedad de aplicaciones relacionadas con la meteorología y la observación de la superficie y atmósfera de la Tierra.

• Ejemplos: Altímetros de Laser, LiDAR, RADAR, Dispersómetros, Sondas

• Misiones: Sentinel-1 (C-SAR), ICESat-2 (ATLAS), GPM (DPR)

• https://earthdata.nasa.gov/learn/remotesensors/active-sensors

• Resolution depends on the satellite's orbital configuration and the sensor's design. Different sensors have different resolutions.

• This refers to the number and width of the sensor's spectral bands. The higher the spectral resolution, the narrower the range of wavelengths for a given channel or band.

• A greater number of finer spectral channels allows for remote sensing of different parts of the Earth's surface.

• Multispectral images typically refer to 3 to 10 bands, while hyperspectral images consist of hundreds or thousands of bands (narrower, i.e., higher spectral resolution). Panchromatic imaging uses a single broadband that collects a wide range of wavelengths.

• La resolución depende de la configuración de la órbita del satélite y el diseño del sensor. Diferentes sensores tienen diferentes resoluciones.

• Significa el número y el ancho de las bandas espectrales del sensor. Cuanto más alta sea la resolución espectral, más angosta será la gama de longitudes de onda para un determinado canal o banda.

• Un mayor número de canales espectrales más finos permite la teledetección de diferentes partes de la superficie Terrestre.

• Por lo general, las imágenes multiespectrales se refieren a 3 hasta 10 bandas, mientras que las imágenes hiperespectrales consisten en centenares o millares de bandas (más angostas, es decir, una resolución espectral más alta). La pancromática es una sola banda ancha que recolecta una amplia gama de longitudes de onda.

• Resolution depends on the satellite's orbital configuration and the sensor design. Different sensors have different resolutions.

• It refers to the area covered by a single pixel in the image. Subpixel-sized objects can sometimes be resolved.

• It is typically presented as a single value representing the length of one side of a square.

• The higher the spatial resolution, the less area a single pixel covers.

• The image in the lower right shows the same image at different resolutions: (from left to right) 1 m, 10 m, and 30 m.

• La resolución depende de la configuración de la órbita del satélite y el diseño del sensor. Diferentes sensores tienen diferentes resoluciones.

• Significa la superficie que forma un píxel en la imagen. Los objetos de tamaño subpíxel a veces se pueden resolver.

• Normalmente se presenta como un valor único representando la longitud de un lado de un cuadrado.

• Cuanto más alta sea la resolución espacial, menos área cubre un solo píxel.

• La imagen en la parte inferior derecha muestra la misma imagen con diferentes resoluciones: (de izquierda a derecha) 1 m, 10 m y 30 m.

Temporal Resolution

• The time it takes a satellite to complete one orbital cycle – also called “revisit time”

• Depends on the satellite/sensor capabilities, swath overlap, and latitude

• Some satellites have higher temporal resolution because:

– They can maneuver their sensors

– They have a greater overlap at higher latitudes

Resolución Temporal

• El tiempo que tarda un satélite para completar un ciclo de órbita - también llamado “tiempo de revisita”

• Depende de las capacidades del satélite/sensor, solapa del barrido y latitud

• Algunos satélites tienen una mayor resolución temporal porque:

– Pueden maniobrar sus sensores

– Tienen una mayor solapa a latitudes mayores

Radiometric Resolution

• Describes a sensor's ability to discriminate differences in energy (or radiance).

• Higher radiometric resolution means the sensor is more sensitive to small differences in energy. The higher this number, the higher the radiometric resolution and the sharper the image.

• – 12-bit sensor, 4,096 levels: Landsat OLI

• – 10-bit sensor, 1,024 levels: AVHRR

• – 8-bit sensor, 256 levels: Landsat TM

• – 6-bit sensor, 64 levels: Landsat MSS

These images show the same scene at different levels. From left to right: 2-bit, 4-bit, and 8-bit.

Image Source: NASA Earth Observatory

Resolución Radiométrica

• Describe la capacidad de un sensor para discriminar diferencias en energía (o radiancia).

• Una mejor resolución radiométrica significa que el sensor es más sensitivo a pequeñas diferencias en energía. Cuanto mayor sea este número, más alta será la resolución radiométrica y más nítida la imagen.

• – Sensor 12 bits, 4.096 niveles: Landsat OLI

• – Sensor 10-bits, 1.024 niveles: AVHRR

• – Sensor 8-bits, 256 niveles: Landsat TM

• – Sensor 6-bits, 64 niveles: Landsat MSS

Estas imágenes muestran la misma escena con diferentes niveles. De izquierda a derecha: 2 bits, 4 bits y 8-bits.

Fuente de la Imagen: NASA Earth Observatory

• Satellite data is available in different stages (or levels) of processing, from raw data collected from the satellite to refined products that visualize the information.

• NASA takes data from satellites and processes it to make it more usable for a wide variety of applications. NASA uses a specific terminology to refer to the levels of processing it performs:

– Level 0 and Level 1: Raw data from instruments that may be time-referenced. These are the most difficult to use.

– Level 2: Level 1 data that has been converted into some geophysical quantity using a computational algorithm (a process known as extraction). The data is georeferenced and calibrated.

– Level 3: Level 2 data that has been mapped onto a uniform spatiotemporal grid and has undergone a quality control process.

– Level 4: Level 3 data that has been combined with models or data from other instruments.

– Level 4: – The data from Levels 3 and 4 are the easiest to use.

• Los datos satelitales están disponibles en diferentes etapas (o niveles) de procesamiento, de datos brutos recolectados del satélite hasta productos refinados que visualizan la información.

• La NASA toma los datos de los satélites y los procesa para hacerlos más utilizables para una gran variedad de aplicaciones. Existe una especie de terminología que la NASA utiliza para referirse a los niveles de procesamiento que realiza:

– Nivel 0 y Nivel 1- Datos brutos de los instrumentos que puede que estén referenciados en el tiempo. Son los más difíciles de usar.

– Nivel 2- Datos de Nivel 1 que han sido convertidos en alguna cantidad geofísica mediante un algoritmo computacional (proceso conocido como extracción). Los datos están georreferenciados y calibrados.

– Nivel 3- Datos de Nivel 2 que han sido mapeados sobre una cuadrícula espacio-temporal uniforme y que han pasado por un proceso de control de calidad.

– Nivel 4- Datos de Nivel 3 que han sido combinados con modelos o datos de otros instrumentos.

– Los datos de los Niveles 3 y 4 son los más fáciles de usar.

Coordinate Reference Systems

• All spatial data, including satellite imagery, must be indexed, or georeferenced, to a fixed point on the Earth's surface.

• Matching a data point or pixel to a specific location on the ground requires a coordinate reference system (CRS).

• There are two commonly used types of coordinate systems: geographic coordinates and projected coordinates.

Sistemas de Coordenadas de Referencia

• Todos los datos espaciales, incluso las imágenes satelitales, deben ser indexados, o georreferenciados, a un punto fijo en la superficie de la Tierra.

• El apareamiento de un punto o un píxel de datos con una ubicación específica en el suelo requiere un sistema de coordenadas de referencia (coordinate reference system o CRS).

• Hay dos tipos de sistemas de coordenadas que se utilizan comúnmente, los de coordenadas geográficas y los de coordenadas proyectadas.

Geographic Coordinate Systems

• Pros:

• • Best for the entire Earth

• • Good for data with a large spatial extent

• Cons:

• • Less accurate for specific regions

• • Poor for data with a small spatial extent

• Example of a commonly used Geographic Coordinate System: WGS84

Sistemas de Coordenadas Geográficas

• Pros:

• • • • Mejores para la Tierra entera

    • • Buenos para datos con una grande extensión espacial

• Contras:

• • Menos precisión para regiones específicas

• • Malos para datos con una pequeña extensión espacial

• Ejemplo de un sistema de Coordenadas Geográficas comúnmente utilizado: WGS84

• Projected Coordinate Systems

• • Pros:

  • • Best for specific locations

  • • Good for data with a small spatial extent

• • Cons:

  • • Accuracy is biased toward a particular location

  • • Not useful for data with a large spatial extent

• Example of a projected coordinate system: 

UTM (Universal Transverse Mercator)

 Sistemas de Coordenadas Proyectadas

• • Pros:

  • • • Mejores para ubicaciones específicas

    • • Buenos para datos con una extensión espacial reducida

• • Contras:

  • • • La precisión es sesgada para una ubicación particular

    • • No son útiles para datos con una gran extensión espacial

• • Ejemplo de un sistema de coordenadas proyectadas: UTM (Universal Transverse Mercator)

Amplitude: The “height” of a wave or its maximum displacement from equilibrium.

Reference coordinate system: A local, regional, or global coordinate-based system used to locate geographic features.

Datum: A known point that can be used as a reference point for all other locations.

Electromagnetic Radiation: The energy that the Earth receives from the Sun.

Frequency: The number of cycles of a wave that pass a fixed point per unit of time.

Geodesy: The science of accurately measuring and understanding three fundamental properties of the Earth: its geometric shape, its orientation in space, and its gravitational field.

Geodetic: Relating to geodesy.

Geoid: The hypothetical shape of the Earth, coinciding with mean sea level and its imaginary extent under (or above) land areas.

Georeferencing: Linking spatial data to its correct location.

Geostationary: Remaining fixed over a specific location on the Earth's surface. Grid-based: Spatial data displayed on a uniform grid, often linked to specific locations.

Nadir: The point on Earth's surface directly below the observing satellite.

Polar: A type of orbit that crosses the poles.

Polarization: The orientation of an electromagnetic wave.

Projection: The means by which one displays the coordinate system and its data on a flat surface.

Radiometric resolution: Describes a sensor's ability to discriminate differences in energy (or radiation).

Spatial extent: The total area covered by a given dataset.

Spatial resolution: The area of ​​the ground that forms a pixel in the image.

Spectral resolution: The number and width of the sensor's spectral bands. The higher the spectral resolution, the narrower the range of wavelengths for a given channel or band.

Sun-synchronous: The satellite always visits the same location at the same local time.

Temporal resolution: the time it takes a satellite to complete one orbit cycle, also called "revisit time"

Amplitud: La “altura” de una onda o su desplazamiento máximo desde el equilibrio.

Sistema de coordenadas de referencia: un sistema local, regional o global basado en coordenadas que se utiliza para ubicar entidades geográficas.

Datum: Un punto conocido que se puede utilizar como punto de referencia para todas las demás ubicaciones.

Radiación Electromagnética: La energía que la Tierra recibe del Sol.

Frecuencia: El número de ciclos de una onda que pasa por un punto fijo por unidad de tiempo.

Geodesia: La ciencia de medir con precisión y comprender tres propiedades fundamentales de la Tierra: su forma geométrica, su orientación en el espacio y su campo de gravedad.

Geodésico: Relativo a la geodesia.

Geoide: La forma hipotética de la Tierra, que coincide con el nivel medio del mar y su extensión imaginaria bajo (o sobre) áreas terrestres.

Georreferencia: El vincular datos espaciales con su ubicación correcta.

Geoestacionario: Que permanece fijo sobre una ubicación específica en la superficie de la Tierra.

En cuadrícula/cuadriculados: datos espaciales que se muestran en una cuadrícula uniforme, a menudo vinculados a ubicaciones específicas.

Nadir: El punto en la superficie de la Tierra directamente debajo del satélite de observación.

Polar: Un tipo de órbita que cruza los polos.

Polarización: La orientación de una onda electromagnética.

Proyección: el medio por el cual uno muestra el sistema de coordenadas y sus datos en una superficie plana.

Resolución radiométrica: describe la capacidad de un sensor para discriminar las diferencias de energía (o radiación).

Extensión espacial: la superficie total cubierta por un conjunto de datos determinado.

Resolución espacial: la superficie del suelo que forma un píxel en la imagen.

Resolución espectral: El número y ancho de bandas espectrales del sensor. Cuanto mayor sea la resolución espectral, más estrecho será el rango de longitudes de onda para un determinado canal o banda.

Heliosincrónico: El satélite siempre visita el mismo lugar a la misma hora local.

Resolución temporal: el tiempo que tarda un satélite en completar un ciclo de órbita, también llamado "tiempo de revisita"