Influencia del ángulo cenital de iluminación en los índices de vegetación

A. Vercher

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Resumen
En este trabajo se presenta un estudio acerca de la sensibilidad que algunos de los índices de vegetación más utilizados manifiestan frente a las variaciones en el ángulo cenital solar. Se han analizado diferentes cubiertas vegetales en una observación, aproximadamente, desde el nadir y tanto en el plano de observación principal como en el ortogonal. El estudio se ha realizado con datos hiperespectrales del sensor aerotransportado de gran campo de visión (60º) HyMap, que realizó 3 vuelos con dos pasadas ortogonales entre sí sobre una zona de cultivos localizada en Barrax (Albacete) durante el transcurso de la campaña de 1999 del proyecto DAISEX (Digital Airborne Imaging Spectroradiometer Experiment). Los resultados muestran que para los cultivos con vegetación densa y valores altos de LAI, en observación próxima al nadir, los índices analizados son poco sensibles a las variaciones del ángulo cenital solar. Sin embargo, en los cultivos con valores de LAI bajos, donde la anisotropía es mayor, se observa que el valor de los índices de vegetación aumenta con el ángulo cenital solar.
Abstract
The effects of solar zenith angle on spectral vegetation indices are analyzed in this work. Different vegetation canopies have been considerated at near nadir view both in the principal plane and in the orthogonal plane. In this study, we have made use of the hyperspectral capabilities of the wide-FOV airborne HyMap data, and the several flights that were carried out in 1999 over the Barrax area (Albacete) in the frame of the DAISEX (Digital Airborne Imaging Spectroradiometer Experiment) project. It is concluded that the vegetation indices hardly vary with the solar zenith angle in dense vegetation canopies (high LAI values). However, an increase in vegetation indices when solar zenith angle increases has been found in crops with low values of LAI.

Sujets

• Anisotropía
• HyMap

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• Publié le: 01 janvier 2002
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Extrait

Revista de Teledetección. 2002. 18: 75-89.
Influencia del ángulo cenital de iluminación en los
índices de vegetación
A. Vercher, M. A. Gilabert, F. Camacho de Coca y J. Meliá
Correo electrónico: [e-mail]
Departament de Termodinàmica. Facultat de Física. Universitat de València.
C/Dr. Moliner, 50. 46100 Burjassot (València)
RESUMEN ABSTRACT
En este trabajo se presenta un estudio acerca de la The effects of solar zenith angle on spectral vege-
sensibilidad que algunos de los índices de vegetación tation indices are analyzed in this work. Different
más utilizados manifiestan frente a las variaciones en vegetation canopies have been considerated at near
el ángulo cenital solar. Se han analizado diferentes nadir view both in the principal plane and in the ort-
cubiertas vegetales en una observación, aproximada- hogonal plane. In this study, we have made use of the
mente, desde el nadir y tanto en el plano de observa- hyperspectral capabilities of the wide-FOV airborne
ción principal como en el ortogonal. El estudio se ha HyMap data, and the several flights that were carried
realizado con datos hiperespectrales del sensor aero- out in 1999 over the Barrax area (Albacete) in the
transportado de gran campo de visión (60º) HyMap, frame of the DAISEX (Digital Airborne Imaging
que realizó 3 vuelos con dos pasadas ortogonales Spectroradiometer Experiment) project.
entre sí sobre una zona de cultivos localizada en It is concluded that the vegetation indices hardly
Barrax (Albacete) durante el transcurso de la campa- vary with the solar zenith angle in dense vegetation
ña de 1999 del proyecto DAISEX (Digital Airborne canopies (high LAI values). However, an increase in
Imaging Spectroradiometer Experiment). Los resulta- vegetation indices when solar zenith angle increases
dos muestran que para los cultivos con vegetación has been found in crops with low values of LAI.
densa y valores altos de LAI, en observación próxima
al nadir, los índices analizados son poco sensibles a
las variaciones del ángulo cenital solar. Sin embargo,
en los cultivos con valores de LAI bajos, donde la
anisotropía es mayor, se observa que el valor de los
índices de vegetación aumenta con el ángulo cenital
solar.
KEY WORDS: vegetation indices, anisotrpy, solar
PALABRAS CLAVE: índices de vegetación, aniso-
zenith angle, HyMap.
tropía, ángulo cenital solar, HyMap.
de la reflectividad bidireccional o BRDF (Bidirec-INTRODUCCIÓN
tional Reflectance Distribution Function) (Nicode-
mus et al., 1977). La BRDF depende, básicamente,Las superficies naturales y, en particular, las
de la geometría de adquisición, de las característi-cubiertas vegetales, no son difusores lambertianos
cas estructurales de la cubierta vegetal y de las pro-y, en consecuencia, su reflectividad presenta un
piedades ópticas de sus componentes (Camacho-decomportamiento claramente anisótropo (Kimes,
Coca et al., 2002a). Las características estructurales1983, Deering et al., 1999). Por ello, la geometría
de la escena determinan la geometría de la superfi-de observación e iluminación afecta a la reflectivi-
cie, cuya influencia en la BRDF puede ser explica-dad observada de una cubierta vegetal, dado que
da, principalmente, mediante dos efectos: el gapdetermina la proporción relativa de los distintos
effect (efecto hueco) y el backshadow effect (efectocomponentes del sistema en el campo de observa-
de dispersión direccional) (Kimes, 1983; Sand-ción del sensor. Las propiedades espectro-angulares
meier et al., 1998; Camacho-de Coca et al., 2001).de la reflectividad de una cubierta vegetal pueden
El efecto hueco se produce cuando desplazamos elcaracterizarse mediante la función de distribución
N.º 18 - Diciembre 2002 75A. Vercher, M. A. Gilabert, F. Camacho de Coca y J. Meliá
sensor de la vertical y aumenta, en el campo de de Coca et al. (2002a). De este modo, la anisotropía
observación del sensor, la proporción de estratos en la reflectividad puede considerarse como una
superiores, más irradiados. Esto produce que por lo fuente de información adicional que conviene real-
general, en cubiertas abiertas, a medida que nos ale- zar para aprovechar sus posibilidades.
jamos del nadir, la reflectividad en el visible dismi- Sin embargo y, por otra parte, siempre que no se
nuye, aumentando en el infrarrojo cercano. El pretenda explotar la dependencia angular de la
backshadow effect se produce en la dirección de reflectividad, ésta introduce un factor de variabili-
dispersión hacia delante, en la que el sensor detecta dad en la señal que debe ser tratado como un ‘ruido’
una alta proporción de elementos sombreados. La que enmascara la información de interés. Así pues,
combinación de estos dos efectos produce un míni- la anisotropía de la reflectividad puede considerar-
mo de reflectividad cercano del forward scattering se, también, como una fuente de error en todas
(hacia adelante) y un máximo en la dirección de aquellas medidas de reflectividad o parámetros de
retrodispersión. Este máximo en la reflectividad es la cubierta vegetal derivados a partir de ésta. Tradi-
denominado el efecto hot spot y responde a meca- cionalmente, el estudio de la cubierta vegetal del
nismos de transmisión de radiación en el interior de suelo mediante imágenes de satélite se ha funda-
la cubierta (Camacho-de Coca et al., 2002b). Por mentado en la distinta respuesta radiométrica que
otra parte, las propiedades ópticas de los elementos suelo y vegetación tienen en el dominio solar del
que conforman la cubierta vegetal dependen de la espectro (Meliá et al., 1986). En este sentido, basán-
longitud de onda, lo que producirá una variabilidad dose en la característica espectral de suelo y vegeta-
espectral de la anisotropía de la BRDF en función ción, los índices de vegetación nos proporcionan un
del intervalo espectral en que nos situemos (Sand- método rápido y eficaz para cuantificar la abundan-
meier et al., 1998). cia de vegetación (Gilabert et al., 1997). En el cál-
La anisotropía de la reflectividad constituye uno culo de los índices espectales de vegetación, la ani-
de los campos de investigación en teledetección sotropía de la reflectividad constituye una
donde actualmente se está trabajando más activa- perturbación que debemos minimizar en lo posible,
mente. Los requisitos instrumentales habían limita- análogamente a como, por ejemplo, se corrige el
do hasta ahora los estudios direccionales de la efecto en la señal del suelo de fondo o de la atmós-
reflectividad. Los satélites tradicionales como el fera. Precisamente, en este sentido abordamos el
LANDSAT se caracterizan por realizar sus observa- problema de la anisotropía en el presente trabajo.
ciones desde el nadir (observación vertical) y por- Se realiza un estudio comparativo que trata de
que su paso por un lugar determinado se efectúa analizar cómo se ven afectados algunos de los índi-
siempre a la misma hora local. Esto, claramente, ces de vegetación más utilizados (véase Tabla 3)
supone una limitación en la perspectiva de observa- por las variaciones en el ángulo cenital solar con
ción de la zona y obliga a adoptar la hipótesis de que se ilumina la escena y, entre estos índices, tra-
comportamiento lambertiano de la superficie. Los taremos de encontrar los que se vean menos
nuevos satélites, además de incorporar nuevos influenciados por los efectos de la anisotropía en la
canales espectrales de medida, permiten, en alguno señal. Se han utilizado datos de avión del sensor
de ellos como SEVIRI/MSG, AVHRR3/EPS, POL- HyMap, con vuelos efectuados sobre una explota-
DER/ADEOSII y AATSR/ENVISAT captar imáge- ción agrícola situada en Barrax (Albacete). En esta
nes bajo condiciones de observación variables, en zona de estudio podemos encontrar cultivos con
razón a la elevada frecuencia de medidas diarias y a características distintas, lo que permite analizar el
la orientabilidad del sensor. Esto posibilita un mejor comportamiento de los índices de vegetación frente
conocimiento desde satélite de la BRDF de las a las variaciones del ángulo cenital solar en un
superficies, lo que se traduce en que el IFOV (Ins- amplio rango de valores del LAI. Realizaremos las
tantaneous Field Of View) del sensor capta mejor el medidas tanto en el plano de observación principal
sistema en su estructura tridimensional. Así, ade- (plano que contiene a la fuente de iluminación y al
más de apoyarnos en la respuesta espectral del vector normal a la superficie observada) como en el
suelo y vegetación, podemos obtener información ortogonal (plano de observación perpendicular al
de su estructura tridimensional: Pasamos de una plano principal). Así mismo, las medidas se toman
signatura espectral a una signatura direccional y bajo ángulos cenitales de observació