Los espectros de reflectancia han sido usados durante muchos años para obtener información composicional de la superficie de la Tierra y de otros planetas. La reflectancia espectral en el visible e infrarrojo cercano ofrece una técnica rápida y de
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bajo coste para determinar la mineralogía de muestras y obtener información de su composición química, describiendo con precisión a su vez lo que les caracteriza y su estado.
Los procesos de transmisión electrónica y de transferencia de carga asociados con los iones metálicos de transición, determinan fuertemente la posición de rasgos de absorción diagnóstico en longitudes de onda del visible e infrarrojo cercano de espectros de minerales (Burns, 1970). A ello se añade procesos vibracionales en el H2O y OH- que producen absorciones fundamentales (Hunt, 1977). La posición,
forma, profundidad, ancho y asimetría de estos rasgos de absorción son controlados por una estructura particular de cristal en la que las especies absorbidas están contenidas por la estructura química del mineral. Por lo tanto, las variables que caracterizan los rasgos de absorción pueden ser directamente relacionadas con la mineralogía de la muestra.
El proceso electrónico más común revelado en el espectro de minerales es el efecto de campo de cristal que es el resultado de capas de electrones sin cubrir de elementos de transmisión (ej., Fe, Cr, Co, Ni). Todos los elementos de transmisión tienen idénticas energías en un ión aislado, pero los niveles de energía se dividen cuando el átomo se encuentra en un campo de cristal. Esta división de los estados de energía orbitales permite a un electrón que se mueva de un nivel inferior a uno mayor mediante absorción de un fotón teniendo un emparejamiento de energía la diferencia de energía entre estados. Las bandas de absorción pueden ser también resultado de una transferencia de carga. Un ejemplo es la transferencia de carga de Fe2+ a Fe3+. Estas bandas de absorción son diagnóstico en mineralogía.
Los espectros de reflectancia está dominados en el rango de longitudes del visible al infrarrojo cercano por la presencia o ausencia de iones metálicos de transición (ej., Fe, Cr, Co, Ni). La presencia o ausencia del agua e hidroxilo, carbonatos y sulfatos determina los rasgos de absorción en la región del SWIR debido a los procesos denominados vibracionales. El hidroxilo está generalmente unido con Mg ó Al.
(a)
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Además, la profundidad de la banda de absorción se relaciona con el tamaño de grano o partícula como la cantidad de luz dispersada y absorbida por el grano depende del tamaño del grano. Un grano más grande tiene un camino mayor interior donde los fotones pueden ser absorbidos de acuerdo a la Ley de Beers. En un grano más pequeño hay proporcionalmente más superficies reflectoras internas comparadas con las longitudes del camino de los fotones. Si domina la dispersión múltiple, la reflectancia disminuye con el aumento de tamaño de grano.
La reflectancia de los espectros de minerales es bien conocida (Adams, 1975; Hunt, 1977; Clark et al., 1990; Grove et al., 1992) y varios estudios han conducido a determinar los espectros de reflectancia de las rocas (Hunt and Salisbury, 1971; Hunt et al., 1971; 1973; 1974). Las características reflectivas de las rocas pueden ser simuladas con precisión mediante el estudio del efecto de la composición de la reflectancia de los minerales en un espectro mezcla formando la roca. Numerosos estudios (Grove et al., 1992; Clark et al., 1990) han permitido generar librerías de espectros de reflectancia de los minerales medidos por diferentes espectrorradiómetros con diferente resolución espectral y ponerlos a disposicón de los investigadores.
La ocurrencia de anomalías espectrales por respuesta de reflectancia de minerales puede ser producto de valores atípicos entre longitudes de onda diagnóstico entre los distintos minerales sobre un fondo mayoritariamente formado por estos, o por elevadas absorciones o reflexiones en el SWIR, en el caso de fondos mayoritariamente formados por la respuesta de cubiertas de vegetación, agua o espacio urbano.
Vegetación
Los estudios de reflectancia de la vegetación (Gates et al., 1965) generalmente se restringen a la parte verde de la hoja de la planta dando poca atención a los componentes no verdes de la vegetación. Las propiedades reflectivas de la vegetación en partes del visible del espectro son dominadas por las propiedades de
Figura 2.4 Anomalía espectral (piscinas de agua) sobre fondo de suelo desnudo/mineral. Gráfico bidimensional de bandas de AVIRIS en un área de Cuprite Hill (EE.UU).
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absorción de los pigmentos fotosintéticos de la clorofila, teniendo absorciones en 0.66 y 0.68 µm por la clorofila a y b, respectivamente.
Cambios en la concentración de clorofila producen cambios en el borde de absorción próximo a 0.7 µm, en lo que se denomina como borde rojo. Las regiones del infrarrojo medio y el infrarrojo de onda corta de espectros de vegetación están dominadas por el agua y compuestos orgánicos como celulosa, lignina, almidón y proteínas (Elvidge, 1990). Los espectros de plantas secas se caracterizan por diagnósticos de rasgos de absorción de lignina-celulosa en la región de 2.09 y 2.30
µm (Elvidge, 1990).
En la vegetación muchas variaciones en las propiedades espectrales son resultado de la geometría de observación, es decir, la posición respecto a la fuente de iluminación, orientación y apuntamiento del sensor. La geometría de observación incluye el ángulo de incidencia del sensor, ángulo de reflexión y el ángulo de fase: el ángulo entre el rayo incidente y el observado. Ello afecta a la intensidad de la luz recibida. Estos efectos son marginales para los minerales, más pronunciados en los suelos y rocas y de importancia crítica en los estudios de la vegetación.
Es esperable por lo tanto, que en la detección de anomalías espectrales, estos factores tengan una influencia diferenciada para tipos o grupos de materiales, siendo la hipótesis que su afección sea máxima en anomalías de la vegetación y mínima en minerales. Puede no obstante, que la geometría de observación que influye de distinta manera en la reflectancia de los materiales, no lo haga así en las posibles anomalías que las respuestas de estas produzcan. El caso extremo lo veremos cuando se produce una saturación del detector, producto muchas veces de una combinación de los diferentes ángulos de observación e iluminación. La hipótesis a contrastar es que exista ocurrencia de anomalías producida por valores atípicos consecuencia de la respuesta de la vegetación a distintos grados de salud o vigor. Es esperable que la vegetación se comporte como anomalía en cualquier otro tipo de fondo espectral, como suelo desnudo, agua o espacio urbano.
(b)
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Suelos
En general las curvas de reflectividad de los suelos son menos complejas que las de la vegetación debido a que en los suelos no existe transmisión (Sobrino et al., 2000). Las características de la reflectancia espectral de los suelos son el resultado de las propiedades físicas y químicas y de la gran influencia de la naturaleza de la composición de los suelos en la que los principales agentes son sólidos inorgánicos, materia orgánica, aire y agua. En regiones del visible e infrarrojo cercano extendido hasta 1.0 µm, las transiciones electrónicas relacionadas con el hierro son el principal factor determinante de la reflectancia espectral del suelo.
La mayoría de los rasgos de absorción diagnósticos para la composición mineral ocurren en la porción del infrarrojo de onda corta (SWIR) de rango de longitudes de onda del espectro entre 2.0 y 2.5 µm. Una vibración fundamental de OH- en 2.74 µm influye en la firma espectral de minerales de compuestos de hidroxilo. Por otra parte, los rasgos diagnósticos de absorción característicos para capas de silicatos
(c)
Figura. 2.7 Ejemplos de espectros típicos de reflectancia de suelos (c).
Figura 2.6 Anomalía espectral (edificio) sobre fondo de vegetación/bosque. Gráfico bidimensional de bandas de AHS en un área de San Lorenzo de El Escorial (España).
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como las arcillas y micas y también los carbonatos ocurren en la región del SWIR. La materia orgánica tiene una importante influencia en las propiedades reflectivas de los suelos, ya que es conocido que proporciones superiores al 2% producen un efecto máscara en la reflectancia espectral (Van der Meer and Jong, 2001), de tal manera que reducen la reflectividad total de suelo y reducen (en ocasiones ocultando completamente) los rasgos de absorción diagnósticos. Por lo tanto, los suelos con una alta cantidad >20% de materia orgánica aparecen oscuros a través del rango de 0.4 a 2.5 µm.
En contraste, baja descomposición de los suelos implica alta reflectancia en la región del infrarrojo cercano y mayores rasgos de absorción. Rasgos de absorción prominentes próximos a 1.4 y 1.9 µm debidos al agua son típicos en la reflectancia de los suelos. Un incremento en el contenido de humedad generalmente disminuye la reflectancia global del suelo.
La respuesta espectral del suelo habitualmente representará la proporción mayoritaria que forme el fondo. Es esperable que sobre fondos contrastados, como lo puedan ser por ejemplo en imágenes de costa, de agua o de vegetación, la respuesta típica del suelo, de reflectancias medias y sin bandas de absorción significativas, sea capaz en estas situaciones menos usuales de provocar una respuesta anómala respecto del entorno.
Agua
Otro elemento importante que puede ser observado mediante espectrómetros de imagen es el agua, objeto de investigación e ingeniería en sí mismo. El agua tiene una alta transmitancia para todas las longitudes de onda del visible, pero la transmitancia se incrementa a medida que decrece la longitud de onda. En un agua clara y profunda toda la radiación es absorbida, sin embargo los sedimentos suspendidos, el plancton y los pigmentos causan un aumento de la reflectancia en porciones del visible del espectro. En el infrarrojo cercano, casi toda la energía es absorbida por el agua tanto como en el caso del SWIR.
Figura 2.8 Anomalía espectral (parcelas de vegetación regada) sobre fondo de suelo arenoso/desértico. Gráfico bidimensional de bandas de ETM+ en un área de Al Madam (Emiratos
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En escenas donde la respuesta del agua sea mayoritaria, por ej. en mar abierto, puertos o embalses, esta formará en su mayoría el fondo espectral. La hipótesis planteada es que el agua pueda producir una respuesta anómala cuando está aislada, por ej. las piscinas, o cuando tiene distinto estado eutrófico, porcentaje de clorofila, sólidos en suspensión o distinta temperatura superficial respecto de su entorno.