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

ARSETARSET

AApplied pplied RRemote emote SSensing ensing EEducationducation andand TTrainingraining(Educación y Capacitación en Percepción Remota Aplicada)(Educación y Capacitación en Percepción Remota Aplicada)Un proyecto del Programa de Ciencias Aplicadas de la NASAUn 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 RemotaRadar de Precipitación de TRMM

(Guatemala)

Tipos de Orbitas SatelitalesOrbita 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)

7

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

Camino del Satellite

Baja Orbita Terrestre (LEO)

8

Orbita Ascendente:El satélite se está moviendo del Sur al Norte cuando esa porción de la órbita cruza el ecuador.

Baja Orbita Terrestre:Orbitan a una altitud de 160-2,000 km.

Baja Orbita Terrestre (LEO)

Camino del Satellite

9

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

Baja Orbita Terrestre (LEO)

Aqua (órbita “ascendente”) durante el día

Terra (órbita “descendente”) durante el día

Baja Orbita Terrestre polar

• 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

Orbita de AquaOrbita de Aqua

Terra - Descendente Aqua - Ascendente

En una parte de la órbita, los dos sensores producen imágenes con inclinaciones opuestas.

Orbitas durante el DíaOrbitas durante el Día

TRMM (órbita “ascendente”)

Baja Orbita Terrestre no polar

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.

14

Satélites que Observan la Tierra

Helio-Sincrónico:El satélite siempre está en la misma posición relativa entre la tierra y el sol..

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.

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

Campo de Visión de Baja Orbita Terrestre (FOV por sus siglas en inglés)

16

Escaneo Transversal

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.

Satélites que Observan la TierraDirección del Movimiento del Satélite

17

Dirección del Movimiento del SatéliteLos satélites en Orbitas Bajas tienen solamente un Campo de Visión Instantáneo (IFOV por sus siglas en inglés)

Campo de Visión de Baja Orbita Terrestre

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:

• 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.

Tamaño de pixelen la dirección del NadirTamaño de pixel

fuera de la dirección del Nadir

FOVFOV IFOVIFOV

altura del altura del satélitesatélite

proyección cilíndrica isotrópica

Perspectiva del satélite vs. proyección de mapa

Tamaño de pixel crece

Dirección de VueloDirección de Vuelo

Dir

ecc

ión

de

Dir

ecc

ión

de

Esc

an

eo

Esc

an

eo

Efecto “BowTie”Efecto “BowTie”

22

Resolución Espacial de Productos de Datos Satelitales de la NASA

Resolución Espacial Alta250x250m; 500x500 m; 1x1 km; 0.05x0.05 gradosEjemplo: Imágenes en Color Verdadero - MODIS (RGBs) Resolución Espacial Moderada 0.25x0.25 gradosEjemplo: 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

31

Nivel 1 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

32

• 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 y Resolución Espacial

Productos de Nivel 1

Productos de Nivel 2

Menos Procesamiento

Más Procesamiento

Datos Orbitales

Productos de Nivel 3

Combinaciones globales de productos de Nivel 2

Usados para producir

Usados para producir

Niveles de Procesamiento de Datos

Datos Orbitales

Más Control del Usuario

Menos Control del Usuario

Más difícil de usar

Más fácil de usar

Niveles de Procesamiento de Datos

Combinaciones globales de productos de Nivel 2

Productos de Nivel 1

Productos de Nivel 2

Productos de Nivel 3

Usados para producir

Usados para producir

Datos Orbitales

Datos Orbitales

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

Reprocesamiento: Aplicación de un algoritmo nuevo a un conjunto de datos.

Procesamiento hacia adelante: Aplicación del algoritmo presente a nuevos datos adquiridos.

Términos Importantes para Productos de Nivel 2 y Nivel 3

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

39

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.

41

Accediendo a diferentes formatos de datos (Ejemplo: Página web Giovanni)

GIF KMZ HDF NetCDF ASCII

Juntando todo: nombres de archivos de datos

Producto de Datos: Tasa de lluvia cada 3 horas (mm/hra) Versión 6

Fecha (30 de Junio, 2011)

El formato de datos es HDF5El nivel de procesamiento es L3Versión 6

Hora GMT: 21

Formato de Datos (HDF5)

3B42.110630.21.6A.HDF.Z Nivel 3

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)