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1.- Metodología desarrollada para
el tratamiento de imágenes de satélites de la serie NOAA
A) Imágenes APT
Desde 1993 se han venido
desarrollando metodologías y algoritmos propios para el tratamiento de
las imágenes capturadas con la estación receptora APT para satélites de
la serie NOAA. Esta estación permite la obtención de imágenes en tiempo
real de los canales 2 y 4 del sensor AVHRR a bordo de los NOAA. La
obtención de mapas de temperatura superficial del mar a partir de estas
imágenes consta de los siguientes pasos:
a) Calibración
La investigación de los valores de
telemetría enviados junto con las imágenes en forma de banda de tonos
de grises permite obtener la relación entre el nivel de gris (o
equivalentemente la cuenta digital original en satélite de 10 bits) y
la digitalización en tierra de la señal analógica transmitida por el
satélite. De esta forma, se obtienen los parámetros de calibración de
forma exacta aunque con una precisión cuatro veces menor que en el caso
digital debido a la naturaleza propia de la transmisión. La calibración
propia del canal 4 incluye la determinación de la radiancia que llega
al satélite bajo la hipótesis de que el sensor responde de forma lineal
a la radiancia. Los resultados obtenidos bajo esta hipótesis de
linealidad se corrigen de la pequeña nolinealidad del sensor con un
procedimiento propio desarrollado ex-profeso para obtener valores
insesgados de temperatura de canal 4 en todos los satélites NOAA
operativos en la actualidad y los históricos, lo cual incluye toda la
serie desde el NOAA 7 hasta el NOAA 14.
b) Corrección geométrica
Las imágenes APT transmitidas por
los NOAA sufren un proceso de contracción anisotrópica por parte de un
componente de estos satélites que tiende a reformar la imagen
previamente a su transmisión APT. Este proceso no georeferencia la
imagen sino que le proporciona un aspecto visual sin deformaciones
aparentes debidas a la curvatura de la Tierra y al aumento de la
superficie muestreada por píxel en los bordes de la imagen. Para
producir verdaderos mapas de temperatura hace falta conocer con
precisión las coordenadas geográficas de todos y cada uno de los
píxeles de las imágenes capturadas (proceso también llamado
georeferenciación), y de esta forma generar un mapa en una determinada
proyección mediante el remuestreo de la imagen original (proceso
también llamado corrección geométrica). Para ello hemos desarrollado un
procedimiento de determinación de la órbita y geometría de observación
del sensor AVHRR a bordo de los satélites NOAA, basado en la obtención
en tiempo adelantado (dos días antes) de los parámetros orbitales de
estos satélites que presentan menos variaciones (periodo,
excentricidad, semieje mayor, inclinación, y argumento del perigeo),
mientras que la ascensión recta del nodo ascendente referida al
meridiano de Greenwich y la anomalía media de la primera lína de la
imagen se obtienen por ajuste para minimizar el error de localización
geográfica de una serie de puntos distribuidos por la imagen cuyas
coordenadas geográficas se conocen de forma precisa (ground control
points). Una vez determinados todos los parámetros orbitales
correspondientes al satélite que ha generado la imagen (y válidos
únicamente para esa determinada imagen) se obtienen las coordenadas
geográficas de todos los píxeles de ésta. La deformación a una
proyección dada se realiza en una estación de trabajo de alta velocidad
de cálculo, en donde las imágenes de cuentas digitales en el canal 2 y
temperatura de canal 4 sufren la misma deformación y se genera una
imagen de ángulos cenitales de salida de la radiación de la superficie
terrestre (mar y tierra) que se utiliza en los siguientes procesos. Las
imágenes así corregidas son completamente superponibles a diferentes
mapas en la misma proyección (mismo tipo de proyección y mismos
coeficientes de proyección), con lo que se pueden enmascarar con una
imagen representativa de las áreas continentales e insulares para
eliminar del tratamiento posterior los píxeles correspondientes a
tierra.
c) Detección de nubes
Una vez eliminados del tratamiento
los píxeles de tierra, las imágenes cuentan con píxeles de mar, nubes,
y mezcla de ambos elementos. Sólo los píxeles en que no existan nubes
pueden utilizarse en la determinación de la temperatura superficial del
mar por el efecto de dispersión de la radiación en el infrarojo que
presentan las nubes. Los modelos de corrección de los efectos de la
atmósfera sobre la radiación se basan en el efecto absorvente y emisor
del vapor de agua atmosférico. Sin embargo, las nubes absorben y
dispersan la radiación de tal forma que no es posible la determinación
precisa de la temperatura superficial del mar en píxeles totalmente o
parcialmente cubiertos con nubes. Dado que estos píxeles podrían dar
lugar a valores erróneos de la temperatura superficial del mar, deben
ser eliminados del tratamiento. Para ello se utiliza una técnica de
detección de nubes desarrollada por Saunders y Kriebel (1988) y
adaptada a las características de las imágenes APT. En concreto, la
imagen del canal 2 se usa en vez de la imagen de canal 1 (no
transmitida en formato APT), la imagen del canal 4 se usa en vez de la
imagen de canal 4 (no transmitida en formato APT), y los tests que
comparan valores de canales 1 con 2 y 4 con 5 dejan de ser operativos.
Los resultados de esta detección de píxeles total o parcialmente
nubosos se presentan como una imagen en la que para cada píxel de
especifica con un único valor numérico qué tests ha pasado (no cuántos
sino cuáles). Sólo aquellos píxeles que no hayan sido detectados como
nubosos en todos los tests se consideran despejados totalmente de nubes
y por tanto susceptibles de seguir el tratamiento.
d) Corrección atmosférica y de
emisividad
Para determinar con precisión la
temperatura superficial del mar es imprescindible tener en cuenta el
efecto perturbador de la atmósfera sobre la radiación del infrarojo
térmico (canal 4) y de la emisividad del mar. Para ello hemos
desarrollado un método de determinación de las características
radiativas de la atmósfera mediante la introducción de radiosondeos
distribuidos por toda la zona de estudio a un modelo de propagación de
radiación en la atmósfera (LOWTRAN-7). Este modelo permite obtener la
transmisividad, la radiancia ascendente en el techo de la atmósfera, y
la radiancia descendente en superficie a distintos ángulos cenitales de
salida de la radiación de la atmósfera en los puntos de radiosondeo.
Hemos desarrollado una metodología que permite caracterizar el
comportamiento global de la atmósfera en estos puntos de radiosondeo
por medio únicamente de tres parámetros (transmisividad en el cénit,
temperatura radiativa atmosférica equivalente en sentido ascendente, y
en sentido descendente) que se calculan a partir de la salida del
LOWTRAN-7, con lo que con sólo tres números puede determinarse el
comportamiento radiativo de la atmósfera para todo posible ángulo
cenital de salida de la radiación. Esta simplificación notable de la
caracterización de la atmósfera permite obtener rápida y sencillamente
esta tríada de parámetros atmosféricos en puntos no coincidentes con
radiosondeos, pues la variación espacial de estos parámetros es muy
suave para escalas sinópticas y mesoescalares (a diferencia de los
resultados brutos del LOWTRAN-7, que presentan una enorme variabilidad
para estas escalas). La determinación de los tres parámetros
atmosféricos en cada píxel de la imagen permite obtener las
características radiativas correspondientes al ángulo cenital de salida
de la radiación específico de cada píxel (radiancia ascendente en el
techo de la atmósfera, radiancia descendente en superficie, y
transmisividad atmosférica), con lo que puede resolverse la ecuación de
transferencia radiativa para cada píxel y de esta forma se obtiene la
temperatura real de la superficie del mar. Debido a las dificultades
intrínsecas de la obtención de radiosondeos en tiempo real, se ha
optimizado este procedimiento para obtener los mapas de temperatura del
mar mediante una simple ecuación de corrección monocanal en la que
únicamente se requiere conocer la temperatura de canal y el
ángulocenital de saldia de la radiación. De esta forma se aumenta
ligeramente el error esperado del método pero a cambio se consiguen
mapas de temperatura de la superficie del mar en tiempo real con una
precisión de tan sólo un grado.
B) Imágenes HRPT
Simultáneamente al desarrollo de las
metodologías propias del tratamiento de las imágenes analógicas APT
para el estudio en tiempo real de la temperatura del mar, se han estado
desarrollando los procedimientos análogos para el tratamiento de
imágenes digitales HRPT de los satélites de la serie NOAA. Estas
imágenes se han estado comprando hasta mediados de 1996 para el estudio
retrospectivo de la temperatura superficial del mar en situaciones
históricas que abarcan desde la puesta en operación del NOAA 7 (el
primer satélite de la serie NOAA con dos canales (el 4 y el 5) en el
infrarojo térmico) hasta la actualidad. Se ha desarrollado la
metodología necesaria para obtener mapas de temperatura superficial del
mar a partir de las imágenes en formato bruto HRPT compradas, y para
las adquiridas por la estación receptora de imágenes HRPT en tiempo
real que el CEAM tiene en funcionamiento desde mediados de 1996. De
esta forma, desde Julio de 1996 se sustituyen los procedimientos
operativos para el tratamiento de las imágenes analógicas APT en favor
de las imágenes digitales HRPT con mucha mayor resolución espacial y
radiométrica y número de canales del sensor AVHRR transmitidos. En
concreto se realizan los siguientes pasos:
a) Calibración
El procedimiento de calibración se
basa en las mismas ideas básicas de las imágenes APT con la salvedad de
que se calibran los cinco canales del sensor AVHRR (el nombre completo
es AVHRR/2 ya que es una mejora de la primera versión del AVHRR/1 con
cuatro canales que se encuentra a bordo de los TIROS n, NOAA 6, NOAA 8,
y NOAA 10). Se calibran los canales 1, 2, 4 y 5 en las imágenes diurnas
ya que el canal 3 en el infrarojo medio refleja demasiada radiación
solar de día, y los canales 3, 4 y 5 en las imágenes nocturnas ya que
los canales 1 y 2 en el rojo e infrarojo próximo respectivamente son
inservibles de noche mientras que la radiancia del canal 3 se debe
únicamente a la emisión térmica de los objetos en el campo de visión
del sensor y sin la contribución.de la radiación solar. La
identificación de la telemetría digital transmitida en el flujo de
datos HRPT permite obtener una calibración independiente para los
canales térmicos (3, 4 y 5) cada cinco líneas HRPT, con lo que se
ajustan posibles variaciones ligeras en las características sensoriales
del AVHRR y se mantienen los parámetros de calibración con un refresco
constante de 6 veces cada 5 segundos. De esta forma se pueden observar
cambios del orden de la centésima de grado en la temperatura del cuerpo
negro interno de calibrado y de una centésima de cuenta digital en la
respuesta del sensor al espacio y al cuerpo negro interno de calibrado.
Con esta extraordinaria precisión los valores de temperatura de canal
se obtienen con errores esperados del orden de la mitad del paso de
digitalización en el satélite. La calibración lineal se corrige de los
efectos de no-linealidad con el mismo procedimiento básico que el
incorporado a la calibración de imágenes APT pero con la diferencia
fundamental de que los coeficientes de corrección se recalculan cada
cinco líneas HRPT para tener en cuenta las posibles microvariaciones de
la temperatura del cuerpo negro interno de calibrado.
b) Corrección geométrica
Es la misma técnica desarrollada
para las imágenes APT con la salvedad de que los puntos de control en
tierra se toman sobre la imagen HRPT y por tanto se obtienen
sustanciales mejoras en los errores esperados de georeferenciación al
ser el detalle lineal de esta últimas imágenes cuatro veces mayor que
el de las APT. En el caso de las imágenes HRPT se tiene en cuenta que
se transmiten tal y como el sensor las obtiene, sin singún tipo de
contracción para su reforma antes de la transmisión como en el caso de
las APT. De esta forma, la deformación geométrica que presentan las
imágenes HRPT es mucho mayor que en el caso de las APT, siendo este
efecto máximo en los bordes de las imágenes. A pesar de estas
deformaciones, se consiguen errores de georeferenciación en los puntos
de control del orden de medio píxel HRPT.
c) Detección de nubes
En este caso se usan los tests
originales de Saunders y Kriebel (1988) pues se tienen todos los
canales del AVHRR. La única excepción se refiere al test de
inhomogeneidad espacial de la imagen de temperatura de canal 4, pues al
corregirla geométricamente a una proyección dada se ha de tener en
cuenta el factor de escala entre la imagen original y la corregida.
d) Corrección atmosférica y de
emisividad
Para las imágenes HRPT se utiliza un
método de corrección de los efectos de la atmósfera y de la emisividad
del mar sustancialmente diferente al de las imágenes APT. Hemos
desarrollado una ecuación de split-window que corrige estos efectos de
forma global para todo tipo de atmósferas en el mundo y para todos los
posibles ángulos de salida de la radiación. Esto constituye un gran
adelanto con respecto a los métodos tradicionales que o bien estaban
optimizados para tratar con todo tipo de ángulos o con todo tipo de
atmósferas. La nueva ecuación de split-window ha sido validada con
medidas experimentales coincidentes de temperatura superficial del mar
y temperatura de canal del AVHRR, resultando una perfecta concordancia
entre los valores calculados y los medidos de la temperatura del mar.
De esta forma, una única ecuación global se utiliza para la
determinación de la temperatura superficial del mar con un error medio
estimado de únicamente medio grado en toda una imagen HRPT.
e) Eliminación de nubes
Este procedimiento se emplea
actualmente en las imágenes HRPT aunque es válido para los dos tipos de
imágenes. Dada la naturaleza de las situaciones en las que se hace
necesario obtener mapas de la temperatura superficial del mar, la
existencia de nubes sobre el mar es mayor que en condiciones normales
por lo que es especialmente obtener en una única imagen todo el área de
interés despejada de nubes. Ni siquiera métodos tradicionales de
composición de imágenes tomadas en fechas próximas entre sí puede
solucionar el problema en muchas ocasiones, por lo que se hace evidente
un cambio en la metodología tradicional. Para ello hemos desarrollado
una técnica que se ha utilizado en otros campos que nada tienen que ver
con la temperatura del mar, pero que ha demostrado ser de
extraordinaria valía en nuestro caso. Se trata del método de krigeage
universal. Se basa en suponer que la variable física en la quye se está
interesado presenta una estructura espacial que se puede caracterizar
por una tendencia general y la construcción del semivariograma de ésta.
De esta forma, tanto la variabilidad a grandes escalas (tendencias)
como a pequeñas escalas (fenómenos regionales y locales) se pueden
cuantificar en aquellas zonas en las que existen datos, y se puede usar
esta información para reconstruir la variable física en las zonas donde
los datos no se han podido obtener. En nuestro caso, este método se usa
para determinar la temperatura del mar en aquellos píxeles que han sido
detectados como total o parcialmente nubosos. La inovación con respecto
a la utilización tradicional de este método es que el semivariograma no
se estima sino que se calcula directamente de los datos y después se
comprueba que cumple con las condiciones matemáticas específicas de los
semivariogramas (estar condicionalmente definido positivo). De esta
forma se elimina la mayor fuente de error que tradicionalmente ha
tenido este método, y se obtienen valores de temperatura del mar en los
píxeles nubosos sin sesgos por la inexactitud del modelo de
semivariograma. Además, este método permite calcular el error de
estimación de la variable física con lo que puede eliminarse el valor
estimado en caso de que el error sea superior a un valor límite
establecido. Si se escoge como valor límite un grado (es decir, se
escoge estimar la temperatura del mar en los píxeles nubosos con un
error máximo de un grado) pueden eliminarse de la imagen nubes hasta
del tamaño de cientos de kilómetros y recuperar el valor de la
temperatura del mar en gran parte de los píxeles nubosos.
C) Publicaciones
El desarrollo de metodología
inovativa y la mejora de procedimientos establecidos por la comunidad
científica en el tratamiento de las imágenes de los satélites NOAA
transmitidas en formato APT y HRPT ha permitido la elaboración de
publicaciones en medios científicos del trabajo desarrollado. A
continuación referimos las publicaciones más relevantes:
Badenas, C., 1994, Obtención de la
temperatura superficial del agua del Mar Mediterráneo en tiempo real -
Aplicación a la detección de tormentas torrenciales. Tesina de
licenciatura, Departamento de Termodinámica, Universidad de Valencia.
Badenas, C., 1997, Determinación
teórica y validación experimental de dos nuevas ecuaciones de
split-window. En Teledetección aplicada a la gestión de recursos
naturales y medio litoral marino, editado por C. Hernández y J. E.
Arias (Santiago, España: Universidad de Santiago de Compostela), pp.
106-109.
Badenas, C., 1997, A new approach to
the sea surface temperature retrieval by means of theoreticaly derived
split-window coefficients, International Journal of Remote Sensing
(enviado).
Badenas, C., Estrela, M. J, y
Marchuet, R., 1995, Obtención de mapas de temperatura superficial del
agua del mar a partir de imágenes NOAA transmitidas en formato APT.
Resúmenes de la VI Reunión Científica de la Asociación Española de
Teledetección, Valladolid 20-22 Septiembre 1995, pp. 50-51.
Badenas, C., Caselles, V., Estrela,
M. J., y Marchuet, R., 1997, Some improvements on the processes to
obtain accurate maps of Sea Surface Temperature from AVHRR raw data
transmitted in real time - Part 1: HRPT images. International
Journal of Remote Sensing, 18, 1743-1767.
Badenas, C., Estrela, M. J.,
Marchuet, R., y Caselles, V., 1997, Some improvements on the processes
to obtain accurate maps of Sea Surface Temperature from AVHRR raw data
transmitted in real time - Part 2: APT images. International Journal
of Remote Sensing, 18, 1769-1794.
Badenas, C., Estrela, M. J.,
Marchuet, R., y Caselles, V., 1997, Obtención de mapas de temperatura
superficial del agua del mar a partir de imágenes NOAA transmitidas en
formato APT. En Teledetección - Usos y aplicaciones, editado por
J. L. Casanova y J. Sanz (Valladolid, España: Secretariado de
Publicaciones e Intercambio Científico, Universidad de Valladolid), pp.
125-132.
Badenas, C., Coll, C., y Caselles,
V., 1997, Theoretical determination and experimental validation of two
new split-window equations. Enviado al 7th International Simposium
"Physical measurements and signatures in remote sensing",
Courchevel (Francia) 6-11 Abril 1997.
2.- Procesamiento de imágenes APT
y HRPT - Aplicación al estudio de episodios de lluvias torrenciales en
la Comunidad Valenciana
A) Listado de imágenes
A continuación se referencian las
imágenes APT y HRPT, recibidas en tiempo real y compradas, por orden
cronólogico de fecha de la escena. Se indica el NOAA que ha tomado la
imagen, la forma de transmisión, la fuente de la imagen (centro al que
se compra, o CEAM para las recibidas en tiempo real), y si se han
tratado o permanecen en espera. En el caso de las imágenes APT
recibidas por el CEAM, sólo se indican las que han sido tratadas, pues
el listado completo incluiría cientos que corresponden con situaciones
no interesantes.
B) Publicaciones
Dentro del contexto de estudio de
episodios de lluvias torrenciales en la Comunidad Valenciana, parte de
las imágenes tratadas en la anterior lista han servido de base en las
siguientes publicaciones científicas:
Badenas, C., Estrela, M. J., y
Millán, M. M., 1997, El papel de la temperatura superficial del mar
(SST) en los eventos de precipitaciones intensas en el Levante español:
Aplicación al episodio de Septiembre de 1996. En Teledetección
aplicada a la gestión de recursos naturales y medio litoral marino,
editado por C. Hernández y J. E. Arias (Santiago, España: Universidad
de Santiago de Compostela), pp. 110-113.
Estrela, M. J., Millán, M., Badenas,
C., y Marchuet, R., 1995, Torrential precipitations and meteorological
risks on the Spanish East coast: the improvement of forecasting
systems. Actas de la 2nd European Conference on Applications of
Meteorology, Toulouse (Francia) 25-29 Septiembre 1995, pp 147-150.
Estrela, M. J., Millán, M., y
Badenas, C., 2001 (si Dios quiere, porque a este paso...),
Millán, M., Estrela, M. J., y
Badenas, C., 1997, Torrential precipitations on the Spanish east coast:
the back-door front concept. Actas del INM/WMO International
Symposium on Cyclones and Hazardous Weather in the Mediterranean, Palma
de Mallorca (Spain), 14-17 Abril 1997, pp.
Millán, M., Estrela, M. J., y
Caselles, V., 1995, Torrential precipitations on the Spanish east
coast: the role of the Mediterranean sea surface temperature.
Atmospheric Research, 36, 1-16.
3.- Líneas de investigación
abiertas para los próximos años
A) Sistema TOVS de los satélites
de la serie NOAA
En el mismo flujo de información
enviado por los satélites de la serie NOAA en formato HRPT se incluyen
los datos científicos y de ingeniería de los sensores que integran el
sistema TOVS. Este sistema se compone de varios sensores cuyas medidas
de radiancia pueden utilizarse para determinar el perfil vertical de
temperatura y humedad de la atmósfera en cada muestreo. Cada sensor
tiene una diferente resolución radiométrica y espacial: el HIRS efectúa
56 muestreos por barrido, 1 barrido cada 6,4 segundos, tiene 20
canales, y un IFOV proyectado en el punto suborbital de 17,4 km de
diámetro; el MSU efectúa 11 muestreos por barrido, 1 barrido cada 25,6
segundos, tiene 4 canales, y un IFOV proyectado en el punto suborbital
de 109,3 km de diámetro; y el SSU efectúa 8 muestreos por barrido, 1
barrido cada 32 segundos, tiene 3 canales, y un IFOV proyectado el el
punto suborbital de 147,3 km de diámetro. Se ha empezado a trabajar en
el aprovechamiento de los datos del TOVS y se espera continuar en la
misma línea de investigación hasta poder obtener perfiles verticales de
temperatura y humedad atmosféricas en tiempo real con la resolución
espacial de los sensores del TOVS.
a) Primeros resultados
En estos momentos ya se han
desarrollado programas para extraer el flujo TIP insertado en el flujo
HRPT por triplicado, con verificación de paridad y de complemento a 1
del bit menos significativo del TIP, y comparación de los flujos
triplicados para detección de irregularidades en la transmisión y
subsanación automática de errores por comparación de copias. De esta
forma se obtienen los datos TIP brutos lo más limpios posibles con
tasas de error de bit incluso inferiores al flujo original HRPT. La
extracción automática de los datos de los sensores HIRS y MSU a partir
del flujo TIP se realiza con programas propios que efectúan una
conversión de formato de los datos TIP para el análisis por separado de
cada sensor y canal en programas externos (hojas de cálculo). Este
proceso se realiza durante la etapa de verificación de los mecanismos
de extracción y tratamiento primario en fase de desarrollo. En el caso
del HIRS este procedimiento está más adelantado y en estos momentos se
está probando el programa que calibra los datos brutos y determina la
radiancia y temperatura equivalente (o albedo en el caso del canal 20)
en los 20 canales de este sensor para cada píxel.
b) Previsión para el futuro
Se dispone de la documentación
necesaria para calibrar y georeferenciar los datos científicos de los
sensores del TOVS, por lo que se prevé que en breve esta tarea estará
terminada. El tratamiento posterior requiere la modelización de la
radiación a través de la atmósfera para obtener la relación existente
entre las radiancias medidas por los canales de los sensores del TOVS y
la estructura vertical de la atmósfera. No puede preverse el tiempo
necesario para abordar esta fase del desarrollo de la metodología. Por
último se estaría en disposición de integrar los datos de todos los
sensores TOVS a la escala del HIRS mediante técnicas de estadística
espacial basadas en el krigeage. Este último procedimiento ya tiene
terminado su desarrollo teórico pero no podrá comprobarse su eficiencia
hasta que finalice la modelización de los procesos de interacción de la
atmósfera con la radiación en los canales de los sensores del TOVS
B) Sensor de vapor de agua de los
satélites de la serie METEOSAT
Se tiene previsto iniciar el
desarrollo de obtención de datos del sensor de vapor de agua centrado
en los 6,3 mm de los
satélites METEOSAT. Los datos del vapor de agua de la alta troposfera
podrán compararse con la cantidad total de vapor de agua que resulte
del análisis de los datos del sensor AVHRR, y con la estructura
vertical de vapor de agua que resulte del análisis de los datos del
sistema TOVS. De esta forma se pretende tener un más completo
conocimiento de los movimientos, fuentes y sumideros de vapor de agua
en la atmósfera. La utilización de este sensor se prevé crucial pues en
nuestras latitudes se podrían obtener datos del vapor de agua cada 30
minutos con una resolución espacial de tan sólo 5x7 km2.
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