La anisotropía de la BRDF: Una nueva signatura de las cubiertas vegetales

F.

Description

Resumen
La BRDF (Bidirectional Reflectance Distribution Function) es la magnitud fundamental para describir las propiedades espectrales y direccionales de la reflectividad. Para la caracterización de la BRDF es necesario disponer de un conjunto de medidas de reflectividad adquiridas bajo diferentes configuraciones geométricas. En este trabajo mostramos, mediante datos POLDER, cómo determinar la BRDF de las cubiertas vegetales. La estimación de la BRDF correspondiente a diferentes cultivos permite analizar la anisotropía de la BRDF y mostrar los principales factores que determinan la misma: la estructura de la cubierta, los parámetros ópticos y el ángulo cenital de la iluminación. La anisotropía de la BRDF permite definir la denominada “Signatura Direccional” de las superficies que proporciona información adicional a la que se obtiene desde el nadir, relacionada con las propiedades estructurales de las superficies.
Abstract
The Bidirectional Reflectance Distribution Function (BRDF) es the basic quantity to describe the directional properties of the spectral reflectance. In order to characterise the BRDF we need a wide set of reflectance measurements acquired under different geometric conditions. In this paper, we show the manner of characterise the BRDF using airborne POLDER data. The retrieved BRDF over different land crops allow us to analyse the anisotropic behaviour of the BRDF as a function of the structural parameters, optical properties and sun zenith angle position. The influence of the BRDF related with the 3D structure of the surface allows characterise Earth’s surfaces through a new signature, the so-called Directional Signature, which contains additional information to those that traditionally has been obtained from nadir view.

Sujets

• Bidirectional reflectance distribution function
• Anisotropía
• Pólder
• Anisotropy
• Canopy (grape)

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• Publié le: 01 janvier 2002
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• Langue: Español

Extrait

Revista de Teledetección. 2002. 18: 29-46.
La anisotropía de la BRDF: Una nueva signatura
de las cubiertas vegetales
F. Camacho de Coca, F. J. García-Haro, M. A. Gilabert y J. Meliá
Correo electrónico: [e-mail]
Departament de Termodinàmica. Facultat de Física. Universitat de València.
C/Dr. Moliner, 50. 46100 Burjassot (Valencia)
RESUMEN ABSTRACT
La BRDF (Bidirectional Reflectance Distribution The Bidirectional Reflectance Distribution Func-
Function) es la magnitud fundamental para describir tion (BRDF) es the basic quantity to describe the
las propiedades espectrales y direccionales de la directional properties of the spectral reflectance. In
reflectividad. Para la caracterización de la BRDF es order to characterise the BRDF we need a wide set of
necesario disponer de un conjunto de medidas de reflectance measurements acquired under different
reflectividad adquiridas bajo diferentes configuracio- geometric conditions. In this paper, we show the man-
nes geométricas. En este trabajo mostramos, median- ner of characterise the BRDF using airborne POL-
te datos POLDER, cómo determinar la BRDF de las DER data. The retrieved BRDF over different land
cubiertas vegetales. La estimación de la BRDF crops allow us to analyse the anisotropic behaviour of
correspondiente a diferentes cultivos permite analizar the BRDF as a function of the structural parameters,
la anisotropía de la BRDF y mostrar los principales optical properties and sun zenith angle position. The
factores que determinan la misma: la estructura de la influence of the BRDF related with the 3D structure
cubierta, los parámetros ópticos y el ángulo cenital de of the surface allows characterise Earth’s surfaces
la iluminación. La anisotropía de la BRDF permite through a new signature, the so-called Directional
definir la denominada “Signatura Direccional” de las Signature, which contains additional information to
superficies que proporciona información adicional a those that traditionally has been obtained from nadir
la que se obtiene desde el nadir, relacionada con las view.
propiedades estructurales de las superficies.
PALABRAS CLAVE: BRDF, anisotropía, cubierta KEY WORDS: BRDF, anisotropy, leaf canopy,
vegetal, POLDER. POLDER.
área observada es la denominada función de distri-INTRODUCCIÓN
bución de la reflectividad bidireccional o BRDF
Tradicionalmente, el estudio de la cubierta vege- (Bidirectional Reflectance Distribution Function).
tal desde teledetección ha estado centrado en la Esta función, que determina las características geo-
dependencia espectral, espacial y temporal de la métricas de la reflectividad espectral, no se puede
obtener directamente ya que involucra todo elreflectividad. Sin embargo, las superficies natura-
rango de longitudes de onda y ángulos, y se defineles y, en particular, las cubiertas vegetales no son
para ángulos sólidos infinitesimales y que, pordifusores lambertianos por lo que dispersan la
tanto, no contienen una cantidad medible de radia-radiación incidente siguiendo un patrón angular
ción. En su lugar, caracterizaremos esta función aque, en principio, será dependiente de la longitud
partir de un conjunto suficientemente amplio dede onda de la radiación incidente. Para caracterizar
medidas del factor de reflectividad bidireccional olas propiedades espectro-angulares de la reflectivi-
BRF (Bidirectional Reflectance Factor) (véasedad, Nicodemus et al. (1977) definen una función
apéndice para una definición radiométrica de estasde proporcionalidad entre el flujo de radiación
dos magnitudes).incidente y la radiancia reflejada denominada Bidi-
Diferentes experiencias de laboratorio (Sand-rectional Scattering-Surface Reflectance Distribu-
meier et al., 1998; Camacho-de Coca et al., 2001a),tion Function (BSSRDF), cuya integral sobre el
N.º 18 - Diciembre 2002 29F. Camacho de Coca, F. J. García-Haro, M. A. Gilabert y J. Meliá
de campo (Kimes, 1983; Deering et al., 1992; Dee- estructura tridimensional de la escena. La estruc-
ring et al., 1999; Camacho-de Coca et al., 2001b), tura de la cubierta vegetal condiciona la interac-
con sensores aerotransportados (Irons et al., 1991; ción de la radiación incidente con la misma y, por
Ranson et al., 1994; Leroy and Bréon, 1996; Bréon tanto, determina el intercambio de flujos de ener-
et al., 1997; Camacho-de Coca et al., 2001c) o gía, masa y momento entre la biosfera y la atmós-
mediante satélite (Roujean et al., 1992a; Godsalve, fera (Welles, 1990). En consecuencia, la caracteri-
1995) han puesto de manifiesto el marcado carác- zación de la BRDF de las cubiertas vegetales,
ter anisótropo con el que las cubiertas vegetales puede mejorar la precisión en las estimaciones de
reflejan la radiación incidente. En consecuencia, parámetros biofísicos, tanto a escala local como
para una explotación adecuada de los datos de tele- regional, con el consecuente beneficio para estu-
detección en el espectro solar, debemos considerar dios climáticos y ecológicos (Asner et al., 1998).
los aspectos direccionales de la reflectividad (Vers- En este contexto, la anisotropía de la BRDF nos
traete et al., 1996). En este sentido, hay dos enfo- permite definir una nueva signatura física de las
ques fundamentales a considerar. Por un lado, la superficies, denominada Signatura Direccional,
dependencia angular de la reflectividad introduce directamente relacionada con la estructura tridi-
un factor de variabilidad en la señal. En este senti- mensional de las mismas. La Signatura Direccio-
do, podemos considerar la anisotropía de la BRDF nal corresponde a la variación de la reflectividad
como un ‘ruido’ que enmascara la información de con el ángulo de observación cenital en un plano
interés, dicho efecto deberá ser corregido, análoga- de observación determinado, y será función tanto
mente a como, por ejemplo, se corrige el efecto en del intervalo espectral como del ángulo de ilumi-
la señal del suelo de fondo o de la atmósfera. Por nación. En particular, recientes investigaciones
otro lado, si somos capaces de caracterizar la ani- han puesto de manifiesto la utilidad de caracteri-
sotropía de la BRDF, podremos utilizar esta varia- zar la BRDF para mejorar clasificaciones utilizan-
bilidad como una fuente potencial de información do la Signatura Direccional o sus índices direccio-
para los estudios de las superficies mediante tele- nales asociados (Bicheron et al., 1997; Sandmeier
detección. and Deering, 1999), normalizar de efectos anisó-
La caracterización de la BRDF desde el espacio tropos los índices de vegetación (Leroy and Hau-
ha adquirido, palautinamente, un mayor interés en tecour, 1999), mejorar la precisión en las estima-
las agencias espaciales. Instrumentos tales como el ciones de albedo (Cabot and Dedieu, 1997,
POLarization and Directonality of the Earth´s Wammer et al., 1997), LAI (Leaf Area Index) o
Reflectance (POLDER) (Deschamps et al., 1994) o FAPAR (Fraction of Absorbed Photosynthetically
el Multi-Angle Imaging Spectro Radiometer Active Radiation) (Bicheron and Leroy, 1999;
(MISR) (Diner et al., 1998) han sido desarrollados Lacaze and Roujean, 2001).
para observar la reflectividad de la superficies En este trabajo, mostramos los principales meca-
desde diferentes ángulos de observación, siendo el nismos físicos que gobiernan la anisotropía de la
concepto óptico del sensor POLDER el más ade- BRDF sobre diferentes tipos de cubiertas vegetales,
cuado para caracterizar la dependencia con el dando una base teórica que facilite la interpretación
ángulo de observación de la reflectividad desde de la BRDF respecto a tres factores principales: la
satélite (Hautecoeur and Leroy, 1998; Bicheron arquitectura de la cubierta, sus propiedades ópticas
and Leroy, 2001). El uso de sensores en órbitas y el ángulo cenital de iluminación. Para ello, en el
geoestacionarios, como el Spinning Enhanced Visi- siguiente apartado describimos los mecanismos físi-
ble and InfraRed Imagery (SEVIRI) a bordo del cos que gobiernan la anisotropía de la BRDF. En la
Meteosat Second Generation (MSG), con una alta sección 3, detallamos el procedimiento experimen-
frecuencia temporal, nos permitirá además caracte- tal seguido para la estimación de la BRDF utilizan-
rizar la BRDF en función del ángulo cenital de ilu- do datos POLDER adquiridos durante la campaña
minación (Leewen and Roujean, 2002). El uso DAISEX (Digital AIrborne Spectrometer EXperi-
combinado de ambos sensores permitirá una com- ment). Finalmente, mostramos la BRDF y la Signa-
pleta caracterización de la BRDF de la biosfera tura Direccional para diferentes tipos de cubierta,
desde el espacio. con distinto ángulo de iluminación en diferentes
El principal interés en los aspectos direccionales bandas espectrales, y discutimos la dinámica que
de la reflectividad reside en que la anisotropía de presenta la anisotropía de la BRDF respecto