Observacio de la terra amb sensors passius de microones

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 incorporen 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 µ m ^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 aerotransportats 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 proporcionen 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 TAf X2 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 plaraforma, 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