Remote Sensing and ImageProcessing: 3
Dr. Hassan J. Eghbali
Back to the process....
What sort of parametersare of interest?
Variables describingEarth system....
Dr. Hassan J. Eghbali
EO and theEarth“System”
geoglogo
fclimSysRuddiman
External forcing
Hydrosphere
Atmosphere
Geosphere
Cryosphere
Biosphere
Dr. Hassan J. Eghbali
Example biophysical variables
jj11a
Dr. Hassan J. Eghbali
Example biophysical variables
jj11b
Good discussion of spectral information extraction:
http://dynamo.ecn.purdue.edu/~landgreb/Principles.pdf
Dr. Hassan J. Eghbali
Remote Sensing Examples
antarctic
Dr. Hassan J. Eghbali
Information extraction process
Imageinterpretation
Tone, colour,stereo parallax
Size, shape,texture,pattern, fractaldimension
Height/shadow
Site,association
Primaryelements
Spatialarrangements
Secondaryelements
Context
Analogueimageprocessing
Multi:
spectral, spatial,temporal, angular,scale, disciplinary
Visualisation
Ancillary info.:field and labmeasurements,literature etc.
Presentationof information
Multi:
spectral, spatial,temporal, angular,scale, disciplinary
Statistical/rule-based patterns
Hyperspectral
Modelling andsimulation
Dr. Hassan J. Eghbali
Example: Vegetation canopy modelling
ba_112_18_04_97
ba_119_13_15_05_97
ba_119_04_06_97
ba_119_24_06_97
Develop detailed 3Dmodels
Simulate canopyscattering behaviour
Compare withobservations
all_trees
Dr. Hassan J. Eghbali
Core principles of electromagnetic radiation (EMR)
solar radiation
blackbody concept and radiation laws
EMR and remote sensing
wave and particle models of radiation
regions of EM spectrum
interaction with atmosphere
interaction with surface
Measurement of radiation
Electromagnetic (EM) Spectrum
Dr. Hassan J. Eghbali
This is what we measure in remote sensing
Terms, units, definitions
Provide basis for understanding type ofinformation that can be retrieved
Why we choose given regions of the EMspectrum in which to make measurements
EM spectrum: so what?
Dr. Hassan J. Eghbali
Remote sensing process: recap
emrpaths
Dr. Hassan J. Eghbali
Note various paths
Source to sensor direct?
Source to surface to sensor
Sensor can also be source
RADAR, LiDAR, SONAR
i.e. “active” remote sensing
Reflected and emitted components
What do these mean?
Several components of final signal captured at sensor
Remote sensing process: recap
Dr. Hassan J. Eghbali
Conduction
transfer of molecular kinetic (motion) energy due to contact
heat energy moves from T1 to T2 where T1 > T2
Convection
movement of hot material from one place to another
e.g. Hot air rises
Radiation
results whenever an electrical charge is accelerated
propagates via EM waves, through vacuum & over long distanceshence of interest for remote sensing
Energy transport
Dr. Hassan J. Eghbali
EM Spectrum
EM Spectrum
Continuous range of EM radiation
From very short wavelengths (<300x10-9m)
high energy
To very long wavelengths (cm, m, km)
low energy
Energy is related to wavelength (and hence frequency)
Dr. Hassan J. Eghbali
em_spect
Energy radiated from sun (or active sensor)
Energy  1/wavelength (1/)
shorter  (higher f) == higher energy
longer  (lower f) == lower energy
Dr. Hassan J. Eghbali
Units
EM wavelength  is m, but various prefixes
cm (10-2m)
mm (10-3m)
micron or micrometer, m (10-6m)
Angstrom, Å (10-8m, used by astronomers mainly)
nanometer, nm (10-9)
f is waves/second or Hertz (Hz)
NB can also use wavenumber, k = 1/ i.e. m-1
Dr. Hassan J. Eghbali
EM Spectrum
We will see how energy is related to frequency, f (and hence inversely proportionalto wavelength, )
When radiation passes from one medium to another, speed of light (c) and  change,hence f stays the same
em1
Dr. Hassan J. Eghbali
Electromagnetic spectrum: visible
Visible part - very smallpart
from visible blue (shorter)
to visible red (longer )
~0.4 to ~0.7m
Violet: 0.4 - 0.446 m
Blue: 0.446 - 0.500 m
Green: 0.500 - 0.578 m
Yellow: 0.578 - 0.592 m
Orange: 0.592 - 0.620 m
Red: 0.620 - 0.7 m
visible
Dr. Hassan J. Eghbali
Electromagnetic spectrum: IR
Longer wavelengths (sub-mm)
Lower energy than visible
Arbitrary cutoff
IR regions covers
reflective (shortwave IR,SWIR)
and emissive (longwave orthermal IR, TIR)
region just longer than visibleknown as near-IR, NIR.
infrared_e
Dr. Hassan J. Eghbali
Electromagnetic spectrum: microwave
Longer wavelength again
RADAR
mm to cm
various bands used byRADAR instruments
long  so low energy,hence need to useown energy source(active wave)
microwve
Dr. Hassan J. Eghbali
Electromagnetic spectrum
Interaction with the atmosphere
transmission NOT even across the spectrum
need to choose bands carefully to coincide with regions wheretransmission high (atmospheric windows – see later)
emspect
Dr. Hassan J. Eghbali
“Blackbody” concept
All objects above absolute zero (0 K or -273° C)radiate EM energy (due to vibration of atoms)
We can use concept of a perfect blackbody
Absorbs and re-radiates all radiation incident upon it atmaximum possible rate per unit area (Wm-2), at eachwavelength, , for a given temperature T (in K)
No real object is blackbody but it is v. useful assumption
Energy from a blackbody?
Dr. Hassan J. Eghbali
Stefan-Boltzmann Law
Total emitted radiation from a blackbody, M, in Wm-2,described by Stefan-Boltzmann Law
Where T is temperature of the object in K; and  = isStefan-Boltzmann constant = 5.6697x10-8 Wm-2K-4
So energy  T4  and as T so does M
Tsun  6000K M,sun  73.5 MWm-2
TEarth  300K M , Earth  460 Wm-2
Dr. Hassan J. Eghbali
Stefan-Boltzmann Law
bbcurves_sun
bbcurves_earth
bbcurves
Dr. Hassan J. Eghbali
Stefan-Boltzmann Law
Note that peak of sun’s energy around 0.5 m
negligible after 4-6m
Peak of Earth’s radiant energy around 10 m
negligible before ~ 4m
Total energy in each case is area under curve
Dr. Hassan J. Eghbali
Peak  of emitted radiation: Wien’s Law
Wien deduced from thermodynamic principles thatenergy per unit wavelength E() is function of T and 
At what m is maximum radiant energy emitted?
Comparing blackbodies at different T, note mT isconstant, k = 2897mK i.e. = k/T
m, sun = 0.48m
m, Earth = 9.66m
Dr. Hassan J. Eghbali
Wien’s Law
AKA Wien’sDisplacement Law
Increase(displacement) in mas T reduces
Straight line in log-log space
bbcurves_all
Increasing 
Dr. Hassan J. Eghbali
Planck’s Law of blackbody radiation
Planck was able to explain energy spectrum of blackbody
Based on quantum theory rather than classical mechanics
dE()/d gives constant of Wien’s Law
E() over all  results in Stefan-Boltzmann relation
Blackbody energy function of , and T
Dr. Hassan J. Eghbali
Planck’s Law
Explains/predicts shape of blackbody curve
Use to predict how much energy lies between given 
Crucial for remote sensing
planck
Dr. Hassan J. Eghbali
Consequences of Planck’s Law
Chlorophyll a,b absorption spectra
Photosynthetic pigments
Driver of (nearly) all life on Earth!
Source of all fossil fuel
chloroSpectra
Allows us to explain radiantenergy distribution of anyobject (e.g. sun)
Predict at what  peak energyis emitted and so choose ourspectral bands accordingly
Dr. Hassan J. Eghbali
Recap
Physical properties we might measure
E.g. reflectance, temperature, height etc.
EM radiation is what we measure in RS
Blackbody concept used to explain energydistribution of sun / Earth
Stefan-Boltzmann law explains total energy
Wien’s law explains shift of max with decreasing T
Planck’s Law explains shape of BB energy distribution
BUT remember, no object is really a blackbody – only anapproximation
Dr. Hassan J. Eghbali
MODIS: building global picture
3DGlobeEOS
Dr. Hassan J. Eghbali
IKONOS & QuickBird: very local view!
QuickBird:  16.5km swath at nadir, 61cm!panchromatic, 2.44m multispectral
http://www.digitalglobe.com
quickbird_mt_st_h
ikonos_london
IKONOS:  11km swath at nadir, 1mpanchromatic, 4m multispectral
http://www.spaceimaging.com/
Dr. Hassan J. Eghbali
Ikonos: high res. commercial
http://www.spaceimaging.com/gallery/spacepics/khaolak_side_by_side.jpg
khaolak_side_by_side
Dr. Hassan J. Eghbali
Ikonos: highres.commercial
http://www.euspaceimaging.com/sime.asp?page=Gallery
geoglogo
London_(1280x960)
Dr. Hassan J. Eghbali