Broquetas Ibars, Antoni

Revistes Catalanes amb Accés Obert

OBSERVACIO DE LA TERRA AMB SENSORS PASSIUS
DE MICROONES
A. BRO^U^7As
Dep. de Teoria del Senyal i Comunicacions, Grup AMR
ETS Enginyers de "I'elecomunicacio de Barcelona
Universitat Politecnica de Catalunva
Aprar. 30002, 08080 Barcelona
IN^I^ROI)UCCIO
El desenvolupament conjwlt de sensors i de platafotmes aeries o sarel^lits
ha consolidat una retie de tecniques de teledeteccio, destinades a 1'observacio
remora del nostre i altres planetes. La majoria dels sensors utilizers una Banda
de I'espectre electromagnetic des de les frequencies de microones fins a
I'ultraviolat. Podem distingir dos tipus de tecniques, les passives en quo
s'enregistra la radiacio emesa per la superficie observada o reflectida de fonts
naturals com el Sol i les tecniques actives es el propi sensor qui aporta
l'energia d'il•luminacio necessaria. En els dos primers apartats d'aquest article
descriurem les tecniques passives optiques i les actives basades en el radar.
Dedicarem el tercet apartat a presentar les noves tecniques passives de
microones i les roves aplicacions en teledeteccio, de les quals presentarem
alguns resultats. Finalment comentarem les tendencies futures en aquest
camp.
I. SIS^II:MES (^PllCti DE TFLt^;DI^a1^:CC10
La tecnologia optica es la mes madura i utilitzada en teledeteccio. Els
sensors optics actuals embarcars en satel•lit consisteixen en agrupacions de
fotodetectors sensibles a les diferents bander del visible i l'infraroig, i incorpo-
ren en alguns taros sistemes electromecanics d'exploracio de la imatge.
Deponent de les caracteristiquesotbitals del satel•lit s'obtc un tort compromis
entre la resolucio espacial de la imatge, la superficie explorada i la periodicirat.
Els satel•lits meteorologics geoestacionaris, com els Meteosat de 1'Agencia
BLIdl. SOC. Cm. Ci^nc.j, Vol. XIV, N6M. 2, 199/1
^n^ r)If,^lKl^.i^7nlihl.l I17^'K.I.i,^lH^l.A:u^K^l'U^ll ^h1.1/1r7,'uu\l.^
Lspacial Europea (ESA), en estar situats a uns 36.000 km de la Terra
proporcionen una cobertura completa de la cara obser^^ada del planes, i
n'obtenen diverses imarges al dia en el visible i I'infraroig. La resolucid do la
imatge es bastant baixa amb miles de pixel d'alguns km de costar [ l ]. Aln-es
sarel^lirs meteorologics tom els NOAA (National Oceanic and Atmospheric
Administration) es col•loquen en orbites polars a una altitud duns 850 km;
d'aquesrt manes es millora la resolucio espacial a costa d'una cobertura
menor i un periode de exploracio d'una regici determinada de 1'ordre d'un dia
(2J. En aplicacions de cara>grafia, usos del terrenv> invent.u-i de masses
toresrtls, de conreus o de neu s'urilizen sensors d'alta resolucio amb miles de
pixel de l'ordre d'una desena de metres de costar Dos examples represenrttius
stun els programer Landsat do la NASA i el frtnces Spot. l^.l sensor Thematic
Mapper dels Landsat Dote una imatge multiespectral en 7 b.uldes diferenrs que
es mostren a la rattly I [2] conjuntament amb els parameu-cs que es visualitzen
ripicunenr a calla bandy.
Taula 1. I3andes espectrals i aplicacions tipiyues del Landsat Thematic Mapper.
L3ANDA ESPECTRAI. APLICACIONti
0.45 - 0.52 µm ^l^ipus de sol
0.52 - 0,6 µm Vigor i creixement de vegetaci^i
0.63 - 0.69 µm Absorcio de la clorofil • la: classificacio vegetal
OJ6 - 0.9 µm Maya de masses d^ai^^ua (rius, flat s, etc.)
1.55 - 1 J5 µm Discriminant neu/nuvols , humitat s^rgetal
2.OH - ?. 35 Etm Pertorbacions hidrotenniyurs
10.4 - 125 µm ^l^emperitura superficial del sol i planter
F.Is satel•lits d'alra resolucio se rituen en orbites polars baixes i escomhren
una franja de tcrreny al volsnt dun centenar de l:m d^amplada. Aixo
comporta un periode de reexploraci6 de I'ordre d'un mes (amb bona
climatologia), que dificulta el seguiment del Eenomens d'evoluci6 rapida. Els
sistemes optics tenon Pero una limiruio imporsnt: la necessitat dunes bones
conditions d'il^lum inacio solar i de trmsparencia atmosfcrica. Algunes regions
I BUt I L S01. C.it ^ Cii n,. 1 ^ % o I. X IV, N it HI, 2, 1 99-1
I IROrlt / I L^ to,
del planeta que es troben quasi perpetuament cobertes de nuvols no poden
esser monitoritzades eficacment amb aquests sistemes.
2. SISI EMES ACIIUS: El. RADAR
Els radars de teledeteccio il•luminen a frequencies de microones,
tipicament d' I a 15 GHz, i enregistren els ecos reflectits per la superficie. La
formacio d'imatges de radar s'aconsegueix amb la cornbinacio de dues
tecniques: compress16 de polsos, que proporciona alta resolucio en la direccio
d'il•Iuminacio del radar, i abertura sintetica [3], que assoleix una resolucio
comparable en la direccio transversal, origen de 1'acronim angles SAR (Synthetic
Aperture Radar) amb que es dcnominen aquests sisternes. Els SAR aero-
transportats obtenen imatges amb una resolucio espacial de l'ordre del metre,
i estan al voltant dels 10 m els embarcats en sate]-lit. La resolucio cs doncs
comparable a I'obtinguda amb els millors sistemes optics, per() hi ha algunes
diferencies fonamentals. En primer hoc el radar proporciona un senyal
holografic que es processa amb ordinador per tal de reconstruir la imatge,
mentre que en els sitemes optics el sensor visualitza directament la zona
explorada. Essent el radar un sensor actiu, no esta condicionat per la il•lum i nacio
solar i pot per taut treballar dia i nit sense interrupcio. A mes els hidrometeors,
nuvols, boires, etc., son transparents a frequencies de microones a diferencia
de les optiques, I fins i totes poden visualitzar alguns details del subsol en zones
de poca humitat. Gracies a aquest fet s'ha pogut cartografiar el planeta Venus
amb una atmosfera opaca al visible, en la recent missio Magallanes [3] de la
NASA. La utilitzacio d'un senyal coherent d'il•luminacio produeix un soroll
granulos anomenat speckle que dificulta la interpretacio de les imatges. Els
sensors de satel•lit actuals treballen a una frequencia i polaritzacio de l'ona
uniques, en canvi els moderns sistemes aerotransportats poden operar ja a
diverses bandes i amb multiples polaritzacions. D'aquesta manera s'esta
augmentant el volum d'informacio subministrada, cosa que permet la
disminucio del soroll specklei el desenvolupament de tecniques de classificacio
i extraccio precisa d'inFormacio. Altres sensors actius de radar son els
dispersometres i altimetres, els primers dedicats tipicament a la formacio de
mapes de vent sobre la superficie marina, mentre que els altimetres proporcio-
nen una mesura amb precisions de centimetres de les pertorbacions de la
superficie, i aixi posen de manifest per exemple el relleu del fons mari.
3. Lis I CNIQUIS I'ASIVES I)E MICRC)ONES
El progres tecnologic en el camp de receptors sensibles de microones ha
permes el desenvolupament de sensors passius a aquestes frequencies; aixo vol
[Bntll. Soc. Cat. Cicnc.], Vol. XIV, Num. 2, 199,1
'ut OIW I'1.{t]u0/L. IIRRAA.tllio[A )JJo11.I00/1 /0/ 0/10Rt)uA/^
dir que de la mateixa manera que un sistema Optic, el sensor no aporta potencia
a I'escena sing que enregistra ci nivell de radiacio te'rmica ernes per Ia superficie
o reflectit d'altres fonts naturals corn l'atmosfera o el so]. Aquesta tecnica
proporciona informacio complementaria a les descrites en el punts anteriors,
particularment en I'estima del contingut d'aigua del sol i conreus , a mes de la
temperatura , la salinitat i el vent sobre el mar [ 4]. El principal inconvenient
de la radiometria es la seva baixa resolucio espacial , que esta millorant gracies
a les novel tecnologies en antenes . Per a formar la imatge el feix de l'antena
escombra tnecanicament ( fig.]) o electronicament la regio observada. Les
imatges mostren la temperatura aparent de brillantor que depen de la
temperatura fisica de la superficie , la seva naturalesa , humitat i composicio, cis
efectes atmosferics i en el cas del mar la intensitat i direccio del vent a nus de
la salinitat de i'aigua.
Reflector muhil
RadiOmctre
I)ircccii) de vol
lap
Fig. I . Geometria d'exploracio en Un sensor radiometric de microones.
3.1 Radiacio terrnica superficial i atmosferiea en microones
La Bel de Rayleigh -Jeans [4] descriu adequadament el comportament
emissiu d ' un cos negre a fregiiencies de microones . La brillantor B en una
direccio O , c5 es donada per a on ample de Banda Af per:
B(0,q) 2k TAfX2
Bud]. Soc. Cat . Cien,.J, Vol. AIV. N uu. _', 1994
I.IJR( ('hI.i^ u5
k es la constant de Boltzmann, X la longitud d'ona observada 1 T es la
temperatura fisica del cos. Un cos real es pot modclar amb una temperatura
de brillantor TIl(H,O) inferior a la fisica. La potencia de senyal P recollida per
tin radiometre es pot expressar en funcio de la temperatura aparent de soroll
T,vI, observada en que s'acostumen a expressar els resultats
P=k7 Af.^4 1)
La temperatura aparent en aplicacions de teledeteccio e's consequencia
de diverses contributions: radiacio generada per la atmosfera, per la superficie
terrestre 1 reflectida per aquesta en la direccio d'observacio, procedent de
1'atmosfera o altres fonts extraplanetaries.
El comportament emissiu dels medis mart i terestre es pot determinar a partir
dels coefficients de dispersio de radar biestatics utilitzant les expressions de Peake [4].
En el mar unicament es necessari considerar els parametres superficials, en no existir
penetracio apreciable en I'aigua salada. El model utilitzat considera el mar corn una
superficie amb rugositats molt mes grans que la longitud d'ona de treball, amb una
distribucio d'inclinacions de tipus gaussia. Els models existents per al medi
continental son de tipus selniempiric, a causa de la dificultat de modelar en
profunditat la gran diversitat de situations possibles. El modelat de la capa vegetal
es especialment dificil car existeixen interactions multiples en I'estructura de les
plantes 1 el sol. Els factors amb una major incidencia en el comportament emissiu
continental son la humitat, la textura 1 composicio, la rugositat, la capa vegetal i el
seu grau d'hidratacio [4].
L'atmosfera es pot considerar tin medi absorbent en la banda de microones
sense dispersio apreciable. La seva contribucio directa es modela amb una
temperatura ascendent 1 la contribucio reflectida per la superficie terrestre es
determina a partir de la temperatura atmosferica descendent [4]. El calcul de
l'absorcio atmosferica es realitza a partir de les concentrations d'oxigen, vapor
d'aigua i de les formations nuvoloses. Per a completar els models s'han afegit
les fonts de radiacio extraterrestre de caracter puntual com el sol, aixi com les
distribuides: soroll de fops de l'univers i el galactic.
3.2 Simulations realitzades
A partir dels models anteriors es poden simular en ordinador les imatges que
s'obtindrien en funcio del tipus i la banda de frequencies del sensor. La figura 2
(esquerra) mostra una imatge del Mediterrani occidental amb els parametres del
sensor optmitzats per a visual Itzar la temperatrura superficial; a la dreta es pot veure
el mapa real de temperatures on el canvi de color representa un increment d' I °C
en direccio al sud des de 17 a 22 °C. L'escala de pseudocolor calibrada a la part
superior de la imatge mostra la temperatura aparent de brillantor en gratis Kelvin
[Butll. Soc. Cat . Cicnc.[, Vol. XIV, Num. 2, 1994
Tnr)17^Inr, /,'l f( '()/I/ I.•I //RAHLl1I /.A•vmh1,1 Il ^I)/Hll(
Mods
malgcdc,.ucI•Iit,inutlidadotcmpCratuIc aparentsLid .1IcditCI rani1)btinguda16.b
(;Hz amb polaritzacid vertical i 511 d inclinaci6 respecte a la vertical.
obselvada. F.l model utilitzat inclou els cfcctes de les variacions de sal i n itat de l'aigua
i la direccio i intensitat del vent, que apareixen a la imatge com efectes creuats o
pertorbadors per la dificultat d'aillar totalment aquests parametres. Es coneguda
l'elevada sensibilitat de la temperatura de brillantor amb el contingut aquas del sbl,
aixb CS pot constat,lr a la figura 3 (esquerra) que mostra una 1111310C coluinental
Pig. 4. Imatgc do s:uci lit ^imulada do tcmpcr11 11 1 .il,.u: III, d, Li iMn.i I'll( 111, Ill.il de la
figura 2, obtinguda a 1.4 (;Hz i 50° d'inclinacid.
IBuill. Soc. Cu . Cicnc.l, Vol. XIV , Num. 2, 1994
simulada de la regio Mediterrania anterior; a la dreta es represents la humitat del
sol de 0.05 gr/cm` a 0.35 gr/cmj, i es pot observar com les temperatures mes
fredes corresponen a les zones mes humides.
L'obtencio d'imatges amb resolucions espacials de 1'ordre de metres
requereix sensors que operin a baiza alrinid. La figura 4 (esquen^a) mostra una
Fig. 4. Imatge amb sensor aen,n.in^purt . u ^Ir I^aero^u>rt ^1c^1 I'rit a 35 (;f li, ^,olaritzari^"^
horitzontal i escombrit angular do 30°.
imatge simulada de I'aeroport del Prat a Barcelona obtinguda a 35 GHz desde
un helicopter volant a 500 m d'altitud equipat amb una antena mobil de CO
cm de diametre. A la dreta es representen en groc les pistes i la zona
d'estacionamenr. A les escenes s'han introdu^t diferents opus de sol, culrius,
tot afeginr estructures urbanes i superficies de ciment i asfalt. A les imatges, ell
avions, essent objectes metal•lics amb temperatures de brillantor al voltanr de
40 K, contrasten respecte all altres materials amb temperatures al voltant de
200-300 K.
4. ^hFtvni^.;^^cn^s r^^^r^^izrs
Haventconstacatel caracter complementari de les tecniques presentades
s'esra treballant en la integracio de multiples sensors en una mateixa plarafor-
ma, ja sigui avio o satel•lir. Aixo, a mcs d'augmentar el volum d'informacio
disponible, s'espera clue obri tot un seguit de novel tecniques d'explotacio i
interpretacio basades en la fusio o combinacio optima de les dades
^Budl. Soc. Cat . Cicnci, ^^ol. ^R', :hum. _', 1994
^uti ^)liVltI^J^7ulUl.ith7^'l(:i.i.1/ftSl^\:^nl^'^P.^IJ^I('^1U.1/lrY;nUAl^
subministrades per recniques diferents. En aquesta lima les grans
administrations espacials han iniciat ja programer que culminaran en el
llan4ament de grans estacions orbitals d'observacio de la Terra cap a 1'any 2000
[5]. Un problema pendent de solucio es 1'emmagatzemarge de les lodes
subministrades per aquests satel^lits, que en el car de I'Earth Observation
System (EOS) de la NASA pot arribar a produir un volum de dales equivalent
a milers de tinter magnetiques d'ordinador en un sol dia d'operacio.
jimli. ^-. C,t. C,^-.J, ^,,L XIV, N6m. 2, 199-4
RRO0I1 /A,5 200
BIBLIOGRAFIA
[ 1 ] P.M.Mather, "Computer processing of remotely sensed images", John
Wiley & Sons, Nova York, 1987.
[2] K.H. Szekielda, "Satellite monitoring of the earth", John Wiley & Sons,
Nova York, 1988.
[3] C.F,Iachi, "Spaceborne radar remote sensing: applications and techniques",
IEEE Press, Nova York, 1988.
[4] F.T.Ulaby, R.K.Moore, A.K.Fung, "Microwave remote sensing, active
and passive", Vol. 1, Addison Wesley Co. , Read] ng, MA, 1981.
[5] Special Issue on the Earth Observation System (EOS) synergism study,
IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, Vol. 29, num. 6,
novembre, 1991.
[But]!. Soc. Cat . Gene]. Vol. XIV , Num. 2, 1994


Observació de la terra amb sensors passius de microones

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Revistes Catalanes amb Accés Obert