Explore lo visible (e invisible) con bandas espectrales
El mes pasado, comencé a construir una lista secreta, en mi laboratorio ultrasecreto, de bandas espectrales y sus firmas espectrales. Le pedí a los más sabios del mundo que contribuyeran con su sabiduría.
¿El resultado?
Uno de los mejores cheatsheets de firmas espectrales que existen en la actualidad.
Hoy exploramos lo visible y lo invisible. Ya sea en el infrarrojo cercano o en la banda de los cirros, use esta guía clara y concisa de firmas espectrales de detección remota para extraer la mayor cantidad de datos posible de sus imágenes.
¿Qué es una banda espectral, de todos modos?
Gracias a nuestra atmósfera, solo 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.
Nuestros ojos solo pueden ver la parte visible roja, verde y azul. La vegetación saludable (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 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.
Entonces, tipos especiales de sensores pueden revelar nuevos conocimientos sobre las características de la Tierra, que nuestros ojos no pueden.
Sobre ese laboratorio ultrasecreto
Volviendo a todo el laboratorio ultrasecreto de firmas espectrales. Mi confesión es que en realidad es el laboratorio de firmas espectrales del USGS. No tenemos un laboratorio de bandas espectrales en This Web.com 🙁
Pero el USGS tiene uno y un útil Visor de características espectrales. Y han probado enérgicamente la reflectancia espectral de cientos de materiales en el laboratorio. Todos estos datos han sido compilados en el sitio web de su biblioteca espectral.
La comida para llevar es esta:
Cada objeto tiene su propia composición química. Esto es el equivalente a decir que cada composición tiene su propia firma espectral.
Tome la industria minera, hay más de 4000 minerales naturales en la Tierra. Cada uno tiene su propia composición química que los hace diferentes unos de otros. ¡Cuando tiene más bandas espectrales, esto le da un mayor potencial para mapear más minerales, vegetación o cualquier cosa!
Bien, ¿cuál es tu punto?
Puede elegir qué bandas espectrales usar en sus técnicas de clasificación de imágenes en sensores remotos.
Esto significa que en su clasificación de detección remota tendrá una mayor probabilidad de extraer características de interés de forma automática y mágica con firmas espectrales.
lo que nos lleva a nuestra siguiente sección, la hoja de trucos de la firma espectral.
La hoja de trucos de la firma espectral
Una firma espectral traza todas las variaciones de la radiación EM reflejada en función de las longitudes de onda.
Seleccione y 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 del infrarrojo cercano (0,76-0,9 m).
y el Índice de vegetación de diferencia normalizada (NDVI) podría ser solo una de las mejores formas de normalizar sus datos.
Nada está escrito en piedra para la clasificación de imágenes.
Estas son solo pautas generales para ayudarlo con la clasificación.
Sin más preámbulos
1. Aerosol costero (0,43-0,45 m)
Como su nombre lo indica, su banda de aerosoles costeros es particularmente útil en estudios costeros, batimétricos y de aerosoles. La banda costera refleja azules y violetas y se está volviendo más común en sensores satelitales como Landsat-8 y WorldView-3. Estas son algunas de sus aplicaciones de banda espectral:
POBLACIÓN DE BALLENAS: Debido a su capacidad para penetrar en el agua (hasta 20-30 m en aguas claras), la banda costera puede estimar las poblaciones de ballenas (subsuperficiales). Esta banda espectral permite una mayor confianza en la identificación de ballenas en la naturaleza en comparación con las observaciones de animales en tanques cautivos. (Contando poblaciones de ballenas desde el espacio)
BATIMETRÍA: Debido a que la banda de aerosol costero es menos absorbida por el agua, permite la observación del color del agua costera y del océano. Esto también es útil para firmas espectrales de vegetación marina como pastos marinos y otros hábitats bénticos submarinos.
AEROSOLES: Debido a que la banda de aerosoles costeros es más sensible a las nubes, el humo y la neblina, se utiliza para filtrar las nubes en el procesamiento de imágenes. Los observadores de la Tierra están ajustando las ortoimágenes sin nubes como mapas base con la ayuda de la banda de aerosoles costeros. (Técnicas de detección y eliminación de nubes en imágenes Landsat 8)
2. Azul (0,45-0,51 m)
Haz esnórquel en un oasis de vegetación marina con las imágenes de aguas profundas de la banda azul. Tus 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. Modifique su firma espectral utilizando la banda azul para obtener imágenes en aguas profundas.
IMÁGENES DE AGUAS PROFUNDAS: debido a su nivel más fino de penetración espectral en las áreas costeras, los arrecifes submarinos, la turbidez del agua y los sedimentos, la vegetación acuática sumergida, la turbidez y el mapeo batimétrico constituyen algunas aplicaciones únicas de detección remota.
COLUMNAS DE HUMO, NEBLINA ATMOSFÉRICA Y NUBES: El rango visible azul es longitudes de onda más cortas como el azul (0,45-0,51 m), que son más sensibles a la neblina atmosférica. Esto hace que la banda azul sea ideal para detectar columnas de humo porque las partículas más pequeñas dispersan más fácilmente las longitudes de onda más cortas.
NUBES, NIEVE Y ROCAS: separa las nubes de la nieve y las rocas porque la firma espectral de la neblina y las nubes delgadas es muy sensible a las longitudes de onda tanto azul como roja. ( Discriminación de nubes y nieve )
3. Verde (0,53-0,59 m)
Para muchos, el verde significa plantas, árboles y bosques naturales. Es lo mismo en la teledetección. La porción verde cubre el pico de reflectancia de las superficies de las hojas (de ahí el color verde que vemos). Esto también significa que la reflectancia espectral es baja en las regiones azul y roja del espectro debido a la absorción de la clorofila durante la fotosíntesis.
VIGOR Y VEGETACIÓN DE LAS PLANTAS: Green puede discriminar entre amplias clases de vegetación y material vegetal discriminatorio.
FLORACIONES DE ALGAS Y CIANOBACTERIAS: El agua limpia y 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 hay floraciones de algas, el verde es donde generalmente ocurre la máxima reflectancia.
RECREACIÓN URBANA: Las áreas verdes cubiertas de hierba y bosques en áreas urbanas se indican como áreas recreativas como parques, campos de golf y cementerios.
4. Rojo (0,64-0,67 m)
Los suelos tropicales, el entorno construido y las características geológicas generalmente tienen rojo que contribuye a su firma espectral. El rojo se usa en fórmulas como el Índice de vegetación de diferencia normalizada (NDVI) debido a la cantidad de plantas que absorben la luz roja (y azul).
TIPOS DE SUELO Y CARACTERÍSTICAS GEOLÓGICAS: La reflectancia del suelo desnudo generalmente depende de su composición. Los suelos de 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)
ENTORNO CONSTRUIDO Y NATURAL: La banda roja se ha utilizado para discriminar entre objetos hechos por el hombre y vegetación. La firma espectral de elementos culturales como carreteras y asentamientos humanos se detecta mejor en la banda roja.
ABSORCIÓN DE CLOROFILA: La mitad de las variables utilizadas en la vegetación saludable NDVI refleja más luz verde e infrarroja cercana (NIR) en comparación con otras longitudes de onda. Absorbe más luz roja y azul y se utiliza para cuantificar la vegetación en NDVI.
5. Amarillo (0.585-0.625m)
La banda amarilla es relativamente nueva y se puede encontrar desde Worldview-2. Esta banda recoge detalles un poco más finos de la porción del espectro de 0,585-0,625 m. Simplemente, recoge el color amarillento de un objeto en particular.
ENFERMEDAD DE INSECTOS EN COPAS DE ÁRBOLES: Un estudio desarrolló un índice de amarillamiento (YI) como una medida para la clorosis de las hojas en plantas estresadas y hojas de soja con deficiencia de manganeso. (Estimación de vegetación estresada con el Índice de Amarilleamiento)
CLASIFICACIÓN DE CARACTERÍSTICAS: La banda amarilla puede ser útil en diferentes estaciones para delinear el pasto invasivo y otras características generales. También se ha utilizado para clasificar especies de árboles individuales y tipos de cultivos por temporada.
6. Borde rojo (0,705-0,745 m)
La banda del borde rojo se encuentra entre las bandas del infrarrojo cercano y el rojo. Para la clorofila, la porción roja absorbe fuertemente la luz mientras que el infrarrojo cercano genera un fuerte reflejo. En la transición entre estas dos bandas espectrales se encuentra la banda del borde rojo.
ESTADO DE SALUD Y EDAD DE LA PLANTA: Con una alta reflectividad de la salud y la vitalidad de la planta, la respuesta de la vegetación del borde rojo suele ser mayor tanto para el contenido de clorofila como para la estructura de la hoja, como el índice de área foliar (LAI). (Identificación del estrés de la planta usando el borde rojo)
MONITOREO DE CULTIVOS: aplicar la banda de borde rojo a la agricultura de precisión e incluso discriminar entre cultivos sanos y afectados por la propagación de enfermedades. Además, podemos usarlo para distinguir entre tipos de cultivos y nutrición.
7. Infrarrojo cercano 1 NIR-1 (0,76-0,90 m)
La reflectancia del infrarrojo cercano es una de las formas más poderosas de clasificar la vegetación saludable. Separar clases como el agua y la vegetación siempre es más fácil en la región del infrarrojo cercano. Esto se debe a que las plantas sanas reflejan más energía en el espectro infrarrojo cercano, mientras que el agua la absorbe.
CONTENIDO DE BIOMASA: La estructura interna de la clorofila saludable refleja misteriosamente la radiación del infrarrojo cercano. Pero cuando las plantas se marchitan y finalmente mueren, la respuesta del infrarrojo cercano disminuye hasta que no queda nada.
SITIOS ARQUEOLÓGICOS: desenterrar sitios arqueológicos antiguos mediante la interpretación de ladrillos de barro más densos, marcas de cultivos y diferencias sutiles en la vegetación, el suelo y la geología de la radiación infrarroja cercana. (Arqueología de marcas aéreas en el infrarrojo cercano)
ÍNDICE DE VEGETACIÓN DE DIFERENCIA NORMALIZADA (NDVI): Los científicos utilizan el infrarrojo cercano en la firma espectral para medir la salud de las plantas. Por ejemplo, usamos la relación NDVI que consta de bandas rojas y del infrarrojo cercano. NDVI extrae las diferencias de vegetación con mayor precisión que si solo observáramos el verdor visible.
8. Infrarrojo cercano 2 NIR-2 (0,86-1,04 m)
Existe una superposición significativa entre las bandas de infrarrojo cercano 2 e infrarrojo cercano 1. La principal diferencia entre las dos bandas es que la banda del infrarrojo cercano 2 se ve menos afectada por la influencia atmosférica.
ESTUDIOS DE VEGETACIÓN: El infrarrojo cercano-2 ofrece análisis de vegetación y estudios de biomasa más sofisticados principalmente porque se ve menos afectado por la atmósfera. (Reflexión de la radiación visible e infrarroja cercana de la vegetación)
LÍMITES TIERRA/AGUA: El agua es un fuerte absorbente de luz infrarroja cercana, mientras que la vegetación es un fuerte reflector. Puede delinear la fragmentación de los bosques y cuantitativamente la pérdida y ganancia de bosques en todo el mundo con infrarrojo cercano.
9. Infrarrojo de onda corta 1 SWIR-1 (1,57-1,65 m)
El infrarrojo de onda corta (SWIR) puede ayudar a discriminar entre suelos secos y húmedos. No solo puede ayudar a clasificar en disciplinas como la geología y la clasificación del suelo, sino que también puede penetrar mejor las nubes delgadas, el humo y la neblina que las bandas visibles.
CONTENIDO DE HUMEDAD: SWIR-1 es sensible al contenido de humedad en el 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 tierra seca.
SWIR DE PENETRACIÓN DE NUBE/HUMO ve a través del humo en la atmósfera al terreno debajo. Esto ayuda a las cuadrillas de respuesta directa y a combatir los incendios forestales de manera más efectiva.
EXPLORACIÓN DE MINERALES Los estudios han demostrado que la obtención de firmas espectrales para minerales indicadores como carbonatos, amonio, sulfatos y hierro férrico o hematites en rocas es más fácil con SWIR. (Mapeo de rocas y minerales con banda ASTER SWIR)
10. Infrarrojo de onda corta 2 SWIR-2 (2,08-2,35 m)
El infrarrojo de onda corta-2 tiene similitudes con SWIR-1. SWIR-2 ayuda a obtener imágenes de tipos de suelo, características geológicas y minerales como cobre y sulfatos. También es sensible a las variaciones de humedad del suelo y la vegetación. La característica de nieve y hielo y las nubes aparecen en tonos más oscuros.
PROPIEDADES DEL AGUA: El agua tiene una absorción mucho más fuerte usando SWIR. Esto ayuda a las respuestas de firmas espectrales para monitorear la proliferación de algas verdeazuladas y las aguas turbias.
PRÁCTICAS DE RIEGO: La reflectancia del infrarrojo de onda corta se ve afectada por el contenido de agua de la hoja, por lo que es ideal para comprender el estrés hídrico de los cultivos y orientar el riego. (Estimación del estrés hídrico y la sequía de cultivos con SWIR)
MAPEO MINERAL: SWIR cubre un rango en el que los tipos de minerales arcillosos ofrecen una mayor firma espectral. Los minerales hidratados aparecen más oscuros para discriminar entre diferentes tipos de caolinita y esmectita.
11. Pancromático (0,50-0,68 m)
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 recolección de los canales rojo, azul y verde por separado. Por ejemplo, la banda pancromática del Landsat-8 son celdas de cuadrícula de 15 metros. Las otras bandas espectrales tienen una resolución de 30 metros excepto la banda térmica. El único inconveniente con la banda panorámica es que no podrá diferenciar los colores.
PANSHARPENING: Mejore sus imágenes con pansharpening combinando información de color con la banda pancromática. Debido a que las bandas pancromáticas sacrifican la resolución espectral por la resolución espacial, ofrece una definición de imagen más nítida con pansharpening.
12. Cirro (1,36 -1,38 m)
La banda de cirros se ganó su nombre porque es especialista en la detección de cirros. La atmósfera absorbe casi toda la banda de cirros, ya que el suelo apenas es visible. Esta banda puede detectar nubes de gran altitud que no puede detectar con otras bandas.
NUBES CIRROS: Las nubes cirros se reflejan brillantemente mientras que la mayoría de las superficies terrestres aparecerán oscuras. La detección mejorada de los molestos cirros ayuda a eliminar y mejorar los mapas base de imágenes.
13. Térmico Infrarrojo TIRS-1 (10.6012.51m)
La banda infrarroja térmica ve calor. Landsats utiliza el infrarrojo térmico emitido en lugar de la 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 DEL VOLCÁN: A pesar de su resolución espacial más gruesa, el infrarrojo térmico puede estimar las tasas de descarga de lava de los volcanes. Las imágenes infrarrojas térmicas nocturnas brindan estimaciones de flujo de energía para la identificación de peligros volcánicos. (Actividad volcánica usando infrarrojo térmico en Nueva Zelanda)
CALOR URBANO: TIRS da una idea de dónde está el calor de temperatura superficial dentro de una ciudad. Los parques, las aguas abiertas y la vegetación natural son generalmente más frescos, mientras que los barrios industriales son los más cálidos. Suele ocurrir que una ciudad o área metropolitana es significativamente más cálida que las áreas rurales circundantes debido a las actividades humanas. (Islas de calor urbanas y temperatura de la superficie terrestre)
PREDICCIÓN DEL CLIMA: El satélite ambiental operativo geoestacionario (GOES) de la NOAA recopila infrarrojos térmicos para comprender las alturas y los tipos de nubes e incluso las características de la superficie del océano.
¿Que sigue?
Ver por ti mismo.
No nuestra Tierra, pero Chromoscope le permite explorar nuestra Galaxia (la Vía Láctea) y el Universo distante en un rango de longitudes de onda desde los rayos gamma hasta las ondas de radio más largas.
O consulte algunos de nuestros otros tutoriales de detección remota:
- Técnicas de Clasificación de Imágenes en Teledetección
- Cómo combinar bandas espectrales con la herramienta ArcGIS Composite Bands
- ¿Qué es la teledetección? Una guía para la observación de la Tierra
Qué se entiende por firma espectral
Los diferentes tipos de superficie, como el agua, el suelo desnudo y la vegetación, reflejan la radiación de manera diferente en varios canales. La radiación reflejada en función de la longitud de onda se denomina firma espectral de la superficie.
¿Qué muestra el perfil espectral de una imagen multiespectral?
Perfil espectral Las imágenes multiespectrales son una poderosa herramienta para distinguir diferentes tipos de materiales y características en el paisaje. Los materiales naturales y hechos por el hombre a menudo tienen firmas espectrales únicas que se pueden usar para identificarlos cuantitativamente.
¿Qué es una banda espectral en teledetección?
Una banda espectral es una matriz de puntos definida por tres dimensiones, sus coordenadas y la intensidad relativa a la radiancia. De: Teledetección óptica de la superficie terrestre, 2016.