Las firmas espectrales, conoce sus bandas espectrales en la Teledetección

Hoy en día, exploramos lo visible – e invisible. Ya sea en el infrarrojo cercano o en la banda de cirros, utilice esta guía clara y concisa de firmas espectrales de teledetección para extraer la mayor cantidad posible de datos de sus imágenes.

¿Qué es una banda espectral?

Gracias a nuestra atmósfera, sólo vemos porciones específicas del espectro electromagnético (EM).

El siguiente gráfico muestra nuestra “ventana atmosférica”. La energía EM (en azul) es lo que somos capaces de ver en la Tierra.

Longitud de onda

Nuestros ojos sólo pueden ver la parte visible – roja, verde y azul. La vegetación sana (o clorofila) refleja más luz verde en comparación con otras longitudes de onda. Absorbe más luz roja y azul. Por eso nuestros ojos lo ven como verde.

Pero tipos especiales de sensores pueden captar otras formas del espectro EM, invisibles para el ojo humano. Por ejemplo, la vegetación también refleja aún más el infrarrojo cercano (NIR). El infrarrojo cercano es invisible para el ojo humano, pero los sensores pueden captar esta banda espectral.

…Así que tipos especiales de sensores pueden revelar nuevos conocimientos sobre las características de la Tierra, que nuestros ojos no pueden.

AVHRR NDVI Composite - Imagen cortesía de NOAA.
AVHRR NDVI Composite – Imagen cortesía de NOAA.

Volviendo a todo el laboratorio de firmas espectrales de alto secreto… el USGS tiene uno… y un práctico Visor de Características Espectrales. Y han probado vigorosamente la reflectancia espectral de cientos de materiales en el laboratorio. Todos estos datos han sido recopilados en la página web de su biblioteca espectral.

Longitud de onda en nanómetros

La conclusión es esta:

Cada objeto tiene su propia composición química. Esto equivale a decir que cada composición tiene su propia firma espectral.

Tomemos la industria minera, hay más de 4000 minerales naturales en la Tierra. Cada uno tiene su propia composición química que lo hace diferente el uno del otro. Cuando usted tiene más bandas espectrales, esto le da mayor potencial para mapear más minerales, vegetación o cualquier cosa!

Ejemplo de clasificación no supervisada

Ejemplo de clasificación no supervisada

De acuerdo, ¿cuál es tu punto?

Puede elegir qué bandas espectrales utilizar en sus técnicas de clasificación de imágenes en teledetección.

Esto significa que en su clasificación de teledetección tendrá una mayor probabilidad de extraer automáticamente características de interés con firmas espectrales.

…lo que nos lleva a la siguiente sección, la hoja de firmas espectrales.

La hoja de datos de Firma Espectral

Una firma espectral traza todas las variaciones de la radiación EM reflejada en función de las longitudes de onda.

Elija las bandas espectrales que utiliza en su clasificación.

Si desea extraer vegetación de una imagen multiespectral, esta firma espectral muestra claramente que debe aprovechar la banda de infrarrojo cercano (0,76-0,9 µm).

Gráfico de la línea de signatura espectral de la vegetación y el agua
Gráfico de la línea de signatura espectral de la vegetación y el agua

…y el Índice de Vegetación de Diferencia Normalizada (NDVI) podría ser sólo una de las mejores maneras de normalizar sus datos.

Nada está escrito en piedra para la clasificación de las imágenes.

Estos son sólo lineamientos generales para ayudarle en la clasificación.

Sin más preámbulos…

1.- Aerosol Costero (0.43-0.45µm)

Como su nombre lo indica, su banda de aerosol costero es particularmente útil en estudios costeros, batimétricos y de aerosol. La banda costera refleja azules y violetas y se está volviendo más común en sensores satelitales como Landsat-8 y WorldView-3. Aquí están algunas de sus aplicaciones de banda espectral:

Ballena

POBLACIÓN DE BALLENAS: Debido a su capacidad de penetrar en el agua (hasta 20-30m en aguas claras), la franja costera está siendo utilizada para estimar poblaciones (Contando las poblaciones de ballenas desde el espacio).

BATIMETRÍA: Debido a que la banda de aerosol costera es menos absorbida por el agua, permite la observación del agua costera y del color del océano. Esto también es útil para firmas espectrales de vegetación marina como pastos marinos y otros hábitats bentónicos submarinos.

AEROSOLES: Debido a que la banda de aerosol costero es más sensible a las nubes, el humo y la neblina, se está utilizando para filtrar las nubes en el procesamiento de imágenes. Los observadores de la Tierra están afinando la ortoimagen sin nubes como mapas base con la ayuda de la banda de aerosol costera. (Técnicas de detección y eliminación de nubes en imágenes Landsat 8).

2.- Azul (0.45-0.51µm)

Practique snorkel en un oasis de vegetación marina con las imágenes de aguas profundas de la banda azul. Sus ojos pueden ver la luz azul reflejada. Dependiendo de la claridad del agua, la luz visible como la banda azul puede alcanzar profundidades de hasta 20-30 metros. Ajuste su firma espectral usando la banda azul para imágenes de aguas profundas.

Imagen de aguas profundas

IMÁGENES DE AGUAS PROFUNDAS: Debido a su nivel más fino de penetración espectral en zonas costeras, arrecifes submarinos, turbidez del agua y sedimentos, vegetación acuática sumergida, turbidez y mapeo batimétrico hace que algunas aplicaciones de teledetección sean únicas.

FUEGOS DE HUMO, RIESGOS ATMOSFÉRICOS Y NUBEZAS: El rango visible azul es de longitudes de onda más cortas como el azul (0.45-0.51µm), que son más sensibles a la neblina atmosférica. Esto hace que la banda azul sea ideal para detectar plumas de humo porque las longitudes de onda más cortas se dispersan más fácilmente por partículas más pequeñas.

NUBE, NIEVE Y ROCA: Separar las nubes de la nieve y la roca porque la firma espectral de la neblina y las nubes finas es altamente sensible a las longitudes de onda tanto azules como rojas. (Discriminación de Nubes y Nieves).

3.- Verde (0.53-0.59µm)

Para muchos, el verde significa naturaleza – plantas, árboles y bosques. Es lo mismo en la teledetección. La parte verde cubre el pico de reflectancia de las superficies foliares (de ahí el color verde que vemos). Esto también significa que la reflectancia espectral es baja en las regiones azules y rojas del espectro debido a la absorción por la clorofila durante la fotosíntesis.

Vegetación

VIGOR Y VEGETACIÓN DE LAS PLANTAS: El verde se utiliza para discriminar amplias clases de vegetación y para discriminar el material vegetal. Una firma espectral del pico de reflectancia de las superficies foliares se resalta en la banda verde.

FLORACIONES DE ALGAS Y CIANOBACTERIAS: El agua clara generalmente refleja poco en cualquier parte del espectro. Sin embargo, la reflectancia es máxima en el extremo azul del espectro – de ahí el color azul que ven nuestros ojos. Pero cuando las floraciones de algas están presentes, el verde es donde generalmente ocurre la máxima reflectancia.

RECREACIÓN URBANA: Los verdes herbosos y boscosos en áreas urbanas están indicados para áreas recreativas como parques, campos de golf y cementerios.

4.- Rojo (0.64-0.67µm)

Los suelos tropicales, el entorno construido y las características geológicas generalmente tienen un color rojo que contribuye a su firma espectral. El rojo se usa en fórmulas como el Índice Normalizado de Diferencia de Vegetación (NDVI, por sus siglas en inglés) debido a la cantidad de luz roja (y azul) que absorben las plantas.

Características geológicas

TIPOS DE SUELO Y CARACTERÍSTICAS GEOLÓGICAS: La reflectancia del suelo desnudo depende generalmente de su composición. Los suelos en Australia casi imitan a Marte debido a su enrojecimiento. Los suelos ricos en óxido de hierro con su color óxido tienen una alta reflectancia en la banda espectral roja – ideal para este tipo de firma espectral del suelo. (Predicción de las propiedades del suelo).

EL MEDIO AMBIENTE CONSTRUIDO Y NATURAL: La banda roja se ha utilizado para discriminar entre los objetos hechos por el hombre y la vegetación. Una firma espectral de características culturales como carreteras y asentamientos humanos se detecta mejor en la banda roja.

ABSORCIÓN DE CLOROFILA: La mitad de las variables utilizadas en el NDVI – la vegetación sana refleja más el infrarrojo cercano (NIR) y la luz verde en comparación con otras longitudes de onda. Absorbe más luz roja y azul y se utiliza para cuantificar la vegetación en el NDVI.

5.- Amarillo (0.585-0.625µm)

La banda “amarilla” es relativamente nueva y se puede encontrar ya en Worldview-2. Esta banda recoge un detalle un poco más fino de la porción de 0,585-0,625 µm del espectro. Simplemente, recoge la “amarillez” de un objeto en particular.

Índice de amarillez

ENFERMEDAD DE INSECTOS EN LAS CORONAS DE LOS ÁRBOLES: Un estudio desarrolló un índice de amarillez (YI) como medida para la clorosis de las hojas en plantas estresadas y hojas de soja deficientes en manganeso. (Estimación de la vegetación estresada con el Índice de Amarillez).

CLASIFICACIÓN DE CARACTERÍSTICAS: La banda amarilla puede ser útil en diferentes estaciones para delinear pastos invasivos y otras características generales. También se ha utilizado para clasificar especies individuales de árboles y tipos de cultivos por temporada.

6.- Borde Rojo (0.705-0.745µm)

La banda roja se encuentra entre el infrarrojo cercano y la banda roja. En el caso de la clorofila, la parte roja absorbe fuertemente la luz, mientras que la del infrarrojo cercano genera una fuerte reflexión. En la transición entre estas dos bandas espectrales se encuentra la banda de borde rojo.

Índice de área foliar

SANIDAD VEGETAL Y ESTADO DE EDAD: Con una alta reflectividad de la salud y vitalidad de las plantas, la respuesta de la vegetación desde el borde rojo es a menudo mayor tanto para el contenido de clorofila como para la estructura de la hoja – como el índice de área foliar (LAI). (Identificar el estrés de la planta usando el borde rojo).

MONITOREO DE CULTIVOS: Aplicando la banda roja a la agricultura de precisión e incluso discriminando entre cultivos sanos y cultivos afectados por enfermedades. Se ha utilizado para distinguir entre tipos de cultivos y nutrición.

7.- Infrarrojo cercano 1 – NIR-1 (0.76-0.90µm)

La reflectancia infrarroja cercana es una de las formas más poderosas de clasificar la vegetación saludable. Separar clases como el agua y la vegetación es siempre más fácil en la región del infrarrojo cercano. Esto se debe a que en el espectro del infrarrojo cercano, las plantas sanas lo reflejan, mientras que la radiación del infrarrojo cercano es absorbida más por el agua.

Sanidad vegetal

CONTENIDO DE BIOMASA: La estructura interna de la clorofila sana refleja misteriosamente la radiación infrarroja cercana. Pero cuando las plantas se marchitan y finalmente mueren, la respuesta del infrarrojo cercano disminuye hasta que no queda nada.

YACIMIENTOS ARQUEOLÓGICOS: Desenterrar sitios arqueológicos antiguos interpretando ladrillos de barro más densos, marcas de cultivos y diferencias sutiles en la vegetación, el suelo y la geología a partir de la radiación infrarroja cercana. (Arqueología de marcas de cultivos aéreos en infrarrojo cercano).

ÍNDICE DE VEGETACIÓN DIFERENCIAL NORMALIZADO (NDVI): El infrarrojo cercano se utiliza en firmas espectrales para medir la salud de las plantas. Esto se puede hacer usando la relación NDVI, que consiste en bandas rojas e infrarrojas cercanas. El NDVI extrae las diferencias de vegetación con mayor precisión que si sólo observáramos el verdor visible.

8.- Infrarrojo cercano 2 – NIR-2 (0.86-1.04µm)

Existe una superposición significativa entre las bandas de infrarrojo cercano 2 y de infrarrojo cercano 1. La principal diferencia es que la influencia atmosférica afecta mucho menos a la banda de infrarrojo cercano-2.

Análisis de vegetación

ESTUDIOS DE VEGETACIÓN: El infrarrojo cercano-2 ofrece análisis de vegetación y estudios de biomasa más sofisticados, principalmente porque es menos impactado por la atmósfera. (Reflejo de la radiación visible y del infrarrojo cercano de la vegetación).

LÍMITES TIERRA/AGUA: El agua es un fuerte absorbente de la luz infrarroja cercana, mientras que la vegetación es un fuerte reflector. Usted puede delinear la fragmentación de los bosques y cuantitativamente la pérdida y ganancia de los bosques alrededor del mundo con el infrarrojo cercano.

9.- Infrarrojo de onda corta 1 – SWIR-1 (1.57-1.65µm)

Los infrarrojos de onda corta (SWIR) pueden ayudar a discriminar entre suelos secos y húmedos. También se utiliza en la firma espectral para la geología y clasificación de suelos. El SWIR también es conocido por su capacidad de penetrar nubes finas, e incluso humo y neblina mejor que las bandas visibles.

Mapeo de rocas y minerales

CONTENIDO DE HUMEDAD: El SWIR-1 es sensible al contenido de humedad del suelo y la vegetación. La reflectancia disminuye a medida que aumenta el contenido de agua. Esto lo hace útil para distinguir la tierra húmeda de la seca.

CLOUD/SMOKE PENETRATION SWIR: ve al terreno a través del humo. Esto ayuda a las cuadrillas de respuesta directa y a combatir los incendios forestales de manera más eficaz.

EXPLORACIÓN MINERAL: Estudios han demostrado que la obtención de firmas espectrales para minerales indicadores como carbonatos, amonio, sulfatos y hierro férrico o hemitita en rocas es más fácil con SWIR. (Mapeo de rocas y minerales con la banda ASTER SWIR).

10.- Infrarrojo de onda corta 2 – SWIR-2 (2.08-2.35µm)

El infrarrojo-2 de onda corta tiene sus similitudes con el SWIR-1. SWIR-2 se utiliza principalmente para la obtención de imágenes de tipos de suelo, características geológicas y minerales como cobre y sulfatos. También es sensible a las variaciones de la vegetación y de la humedad del suelo. La nieve y el hielo y las nubes aparecen más oscuras.

Cartografía mineral

PROPIEDADES DEL AGUA: El agua tiene una absorción mucho más fuerte usando SWIR. Esto ayuda a las respuestas de firma espectral para monitorear la floración de algas verde-azuladas y aguas turbias.

PRÁCTICAS DE IRRIGACIÓN: La reflectancia de los infrarrojos de onda corta se ve afectada por el contenido de agua de las hojas, lo que hace que sea ideal para entender el estrés hídrico de los cultivos y la orientación del riego. (Estimación del estrés hídrico y la sequía en los cultivos con SWIR).

CARTOGRAFÍA MINERAL: SWIR cubre un rango donde los tipos de minerales arcillosos entregan una mayor firma espectral. Los minerales hidratantes parecen más oscuros para discriminar entre los diferentes tipos de caolinita y smecita.

11.- Pancromático (0.50-0.68µm)

Al igual que las películas en blanco y negro, las bandas pancromáticas recogen toda la luz reflejada visible a la vez en un solo canal. Debido a que ve más luz a la vez, la resolución espacial es más nítida en contraste con la recogida de los canales rojo, azul y verde por separado. Por ejemplo, la banda pancromática de Landsat-8 es de celdas en cuadrículas de 15 metros. Las otras bandas espectrales son de 30 metros de resolución con la excepción de la banda térmica. El único inconveniente de la banda pancromática es que no podrá diferenciar los colores.

Imagen pancromática

PANSHARPENING: Agudiza tus imágenes con el pansharpening combinando la información de color con la banda pancromática. Debido a que las bandas pancromáticas sacrifican la resolución espectral por la resolución espacial, proporciona una definición de imagen más nítida con el pansharpening.

12.- Cirrus (1.36 -1.38µm)

La banda cirrus se ganó su nombre porque es especialista en la detección de nubes de cirros. La atmósfera absorbe casi toda la banda de cirros, ya que el suelo es apenas visible. Se detectan y seleccionan nubes de gran altitud que no son visibles en otras bandas.

Cirros

CIRRUS CLOUDS: Las nubes de cirros se reflejan brillantemente mientras que la mayoría de las superficies terrestres aparecerán oscuras. La detección mejorada de la molesta nube de cirros ayuda a eliminar y mejorar los mapas base de imágenes.

13.- Infrarrojo térmico – TIRS-1 (10.60-12.51µm)

La banda infrarroja térmica ve calor. Landsat utiliza radiación infrarroja térmica emitida en lugar de radiación reflejada. Tiene una resolución más gruesa de 100 metros, pero sigue siendo útil para comprender la temperatura de la superficie, los estudios nocturnos e incluso el monitoreo de volcanes.

Actividad volcánica

ACTIVIDAD DEL VOLCÁN: A pesar de su mayor resolución espacial, se ha utilizado el infrarrojo térmico para estimar las tasas de descarga de lava de los volcanes. Las imágenes infrarrojas térmicas nocturnas proporcionan estimaciones del flujo de energía para la identificación de peligros volcánicos. (Actividad volcánica utilizando infrarrojos térmicos en Nueva Zelanda).

CALOR URBANO: TIRS da una idea de dónde se debe calentar la superficie dentro de una ciudad. Los parques, las aguas abiertas y la vegetación natural son generalmente los más frescos, mientras que los barrios industriales son los más cálidos. A menudo ocurre que una ciudad o área metropolitana es significativamente más cálida que las áreas rurales circundantes debido a las actividades humanas. (Islas de calor urbano y temperatura de la superficie terrestre).

PREDICCIÓN DEL TIEMPO: El Satélite Geoestacionario Operacional Ambiental (GOES) de la NOAA recoge infrarrojos térmicos para comprender la altura y el tipo de nubes, e incluso las características de la superficie del océano.

Traducido desde: GISGeography

2 comentarios en “Las firmas espectrales, conoce sus bandas espectrales en la Teledetección”

  1. hola, me gusto todo lo que lei, pero necesito tener la referencia y lo único que me falta es el nombre de quien escribió el articulo.

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