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Guias e Dicas
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Introdução ao sensoriamento remoto, Notas de estudo de Teoria dos Jogos

Fundamentos e introdução ao sensoriamento remoto

Tipologia: Notas de estudo

Antes de 2010

Compartilhado em 21/06/2009

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emerson-damasceno-de-oliveira-8 🇧🇷

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Baixe Introdução ao sensoriamento remoto e outras Notas de estudo em PDF para Teoria dos Jogos, somente na Docsity! INTRODUÇÃO AO SENSORIAMENTO REMOTO São José dos Campos 2001 Introdução ao Sensoriamento Remoto SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO.... 1.1. Um breve histórico sobre o Sensoriamento Remoto. 04 2. FUNDAMENTOS DE SENSORIAMENTO REMOTO .. 06 2.1 Conceituação..... 06 2.2 Conceitos radiométricos .. 09 3. TIPOS DE DADOS DE SENSORIAMENTO REMOTO 3.1 Plataformas de sensoriamento remot 3.2 Sistemas sensores: sistemas fotográficos. 15 3.2.1 O sistema visual humano... 15 3.2.2 Analogia entre o olho humano e a câmera fotográfic. 17 3.2.3 Visão das cores. 17 3.3 Sistemas fotográfico: 18 3.4 Obtenção de medidas a partir de fotografias aéreas. 23 3.4.1 Visão estereoscópica..... 3.5 Interpretação de fotografias aéreas..... 3.6 Sistemas sensores: imageadores eletro-óptico. 27 3.6.1 Sistemas imageadores.. 3.6.2 Tipos de imageadores ... 3.6.3 Detetores..... aus 3.7 Sistemas sensores: RADAR. 3.7.1 Conceitos básicoS....us 3.7.2 Geometria de imageamento RADAR 3.7.3 Tipos de sistemas RADAR... 3.7.4 Interações entre a radiação de micro-ondas e a superfície terrestre 3.7.5 Variáveis do sistema...... 3.7.8 Variáveis ligadas ao objeto imageado . 4 COMPORTAMENTO ESPECTRAL DE ALVO 41 4.1 Comportamento espectral da água . 42 4.1.1 Propriedades ópticas da água .. 45 4.1.2 Absorção no meio aquático ... 46 4.1.3 0 espalhamento no meio aquátic. 48 4.2 Comportamento espectral dos solos e de minerais e rocha: 50 4.3 Comportamento espectral da vegetação .... 52 4.3.1 Interação da REM com os dosséis vegetais 55 4.3.2 Particularidades sobre a aparência da vegetação em imagens orbitai 56 5. ELABORAÇÃO DE IMAGENS DA SUPERFÍCIE TERRESTRE.. 58 6. IMAGENS COM ALTA RESOLUÇÃO ESPACIAL.............. 7. SENSORIAMENTO REMOTO HIPERESPECTRAL (IMAGEAMENTO ESPECTROSCÓPICO) 63 8. INTERPRETAÇÃO VISUAL DE IMAGENS: UMA ABORDAGEM METODOLÓGICA 9. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS...... 1» Introdução ao Sensoriamento Remoto Amazônia (RADAM) que permitiu o levantamento de 8,5 milhões de Km2 do território nacional até o fim da década de 80. Esse levantamento foi feito pelo sistema GEMS (Goodyear Eletronic Mapping System) operando na banda X (Trevett,1986). A década de 60 também assistiu ao advento dos sistemas orbitais de sensoriamento remoto. Os primeiros sensores orbitais foram voltados para aplicações meteorológicas. Paralelamente houve também a utilização de câmaras fotográficas para a aquisição de fotografias da superfície terrestre durante as missões tripuladas da série Apolo. É assim que na década de 70 é lançado o primeiro satélite experimental de levantamento de recursos terrestres (Earth Resources Technology Satellite). Esse satélite, e o sensor multiespectral que leva a bordo tem tamanho sucesso, que o seu nome é modificado para Landsat e se transforma no programa de sensoriamento remoto de mais longa duração já existente, com o 7º satélite da série lançado em 1999. Em 1978 é lançado o primeiro sistema orbital de radar, o SeaSat. Esse satélite, concebido para obter dados para o monitoramento da superfície oceânica manteve-se em operação por apenas 3 meses. Por razões controvertidas (informação classificada, alta taxa de dados para transmissão telemétrica, alta potência requerida para operação dos sensores, entre outras) fizeram com que dados orbitais de RADAR só voltassem a ser disponíveis na década de 90 com o lançamento do satélite soviético Almaz (1990), ERS-1 (1991), JERS-1 (1992) e RADARSAT (1995). Atualmente existe um grande número de satélites de sensoriamento remoto em operação e planejados para entrar em operação. Algumas dessas missões encontram-se resumidas na Tabela 1.1. Maiores detalhes sobre essas missões podem ser encontrados em Kramer (1996). Tabela 1.1 — Principais Missões de Sensoriamento Remoto Orbital em Operação e Planejadas até 2002. Missão Lançamento País ADEOS-2 2000 Japão ALOS 2002 Japão ARIES 2001 Austrália CBERS-1 1999 China/Brasil CBERS-2 2001 China/Brasil EOS-AMI 1999 USA EOS-PM1 2000 USA EO-1 2000 USA EROS-Al 2000 Israel EROS-A2Z 2001 Israel ERS-2 1995 ESA Envisat 2001 ESA Ikonos-2 1999 USA IRS-IB 1991 Índia IRS-1C 1995 Índia IRS-ID 1997 Índia IRS-P4 1999 Índia IRS-PS 2002 Índia IRS-P6 2001 Índia KITSAT-3 1999 Corea Landsat-5 1984 USA Landsat-7 1999 USA LightSar 2002 USA QuickBird-1 2000 USA Introdução ao Sensoriamento Remoto QuickBird-2 2001 USA Radarsat-1 1995 Canadá Radarsat-2 2001 Canadá Spot-2 1990 França Spot-4 1998 França Spot-5 2002 França OrbView-3 2000 USA OrbView-4 2001 USA Como pode se observado, O Brasil também encontra-se arrolado entre países detentores de tecnologia para a aquisição de dados orbitais de sensoriamento. Em 1999, após 10 anos de desenvolvimento, o Brasil e a China lançaram com êxito relativo o satélite CBERS (China-Brazil Earth Resources Satellite). Esse satélite foi lançado com três sensores a bordo: uma câmara de amplo campo de visada (Wide Field Imager -WFD, uma camara CCD (Coupled- Charged Device) e um sistema de varredura infra-vermelho (IRMSS- Infrared Multispectral System). Atualmente o Brasil está envolvido no projeto de mais duas missões de sensoriamento remoto de recursos terrestres: a missão SSR (Satélite de Sensoriamento Remoto) e a missão SABIA” (Satélite Argentino-Brasileiro de Informações sobre Água, Alimento e Ambiente). Além dessas perspectivas apresentadas há ainda aquelas referentes aos denominados “micro-satélites”, cujos objetivos variam segundo as mais variadas concepções adotadas. Como exemplo, destaca-se o SPIN-2, da União Soviética, dotado de resolução espacial de aproximadamente 2 m em seu modo pancromático. 2. Fundamentos de Sensoriamento Remoto 2.1 Conceituação A definição clássica do termo sensoriamento remoto (SR) refere-se a um conjunto de técnicas destinado à obtenção de informação sobre objetos, sem que haja contato físico com eles. Para melhor compreender esta definição, faz-se necessário identificar os quatro elementos fundamentais das técnicas de SR, os quais podem ser representados através do esquema apresentado na Figura 2.1. Fonte Sensor Alvo Fig. 2.1 Esquema representativo dos quatro elementos fundamentais das técnicas de sensoriamento remoto Introdução ao Sensoriamento Remoto No centro do triângulo deste esquema, encontra-se a Radiação Eletromagnética (REM), que é o elemento de ligação entre todos os demais que se encontram nos vértices. São eles, a fonte de REM, que para o caso da aplicação das técnicas de sensoriamento remoto no estudo dos recursos naturais, é o Sol (pode ser também a Terra para os sensores passivos de micro-ondas e termais, podem ser antenas de micro-ondas para os sistemas radares); o sensor, que é o instrumento capaz de coletar e registrar a REM refletida ou emitida pelo objeto, que também é denominado alvo, e que representa o elemento do qual se pretende extrair informação. A partir deste esquema compreende-se que o elemento fundamental das s de sensoriamento remoto é a REM, que no vácuo propaga-se à velocidade da luz e sua ão com o meio físico pode ser explicada através de dois modelos: o modelo corpuscular (ou quântico) e o ondulatório. Sob uma perspectiva quântica, a REM é concebida como o resultado da o de pequenos pulsos de energia, enquanto que sob uma perspectiva ondulatória, a REM se propaga na forma de ondas formadas pela oscilação dos campos elétrico e magnético. A Figura 2.2 apresenta um esquema da representação dos campos elétrico e magnético e as oscilações mencionadas. E= Campo Elétrico; M= Campo Magnético; XZ= Plano de excitação do campo elétrico; YZ= Plano de excitação do campo magnético; Z= Direção de propagação da onde eletromagnética; A= Comprimento de onda; Fig. 2.2-Flutuações dos campos elétrico e magnético de uma onda. FONTE: Novo(1989) No modelo ondulatório então a REM é caracterizada em comprimentos de onda que representam a distância entre dois pontos de igual intensidade dos campos elétrico e magnético. O conjunto de comprimentos de onda que compõem a REM é conhecido como Espectro eletromagnético, o qual é dividido didaticamente em um certo número de regiões espectrais, conforme apresentado na Figura 2.3. Introdução ao Sensoriamento Remoto e sim uma determinada área desta superfície, a qual é constituída por infinitos pontos. Assim, o que realmente é medido pelo sensor é a intensidade de todos os infinitos fluxos contidos nos ângulos sólidos dos pontos da área da qual ele é capaz de observar. Esta intensidade é denominada de Radiância. A Radiância é portanto a intensidade do fluxo radiante por unidade de ângulo sólido e seu conceito pode ser comparado ao conceito de brilho, ou seja, um objeto é considerado mais brilhante quanto maior for sua Radiância medida. O aspecto espectral refere-se ao fato de que a composição espectral do fluxo que deixa a superfície sofre alterações que são dependentes das suas características físico- químicas. Assim, a Radiância medida por um sensor pode ser determinada para um intervalo específico de comprimentos de onda (região ou banda espectral). No esquema apresentado na Figura 2.5, fica claro que o sensor “observa” instantaneamente uma determinada porção da superfície do terreno. A área desta superfície define o chamado elemento de resolução espacial. Desta área é registrado um único valor de Radiância para cada faixa ou região espectral que o sensor é capaz de perceber a REM refletida ou emitida pelos objetos contidos em seu elemento de resolução espacial. [| RaDiômero a nesoLução | aa PROCESSADOR oereror Furo coeror supenrti E ELEMENTO DE PEsotução a SUPERFÉE cgouérmica RESoLUçÃOS ESPECTRAL RADIOMETRICA Fig.2.5 Representação esquemática do conceito de Radiância medida através de um sensor remotamente localizado. Nota-se portanto a existência de dois principais aspectos intrínsicos às técnicas de SR: o aspecto espacial e o aspecto espectral. Estes aspectos são comumente denominados de domínios espacial e espectral, respectivamente. O domínio espacial é expresso pela resolução espacial do sensor, a qual é definida como a menor área da qual o sensor é capaz de registrar a REM. O domínio espectral refere-se à largura da faixa espectral que este mesmo sensor é sensível. Faixas mais largas conferem uma resolução espectral menor ao sensor. Contrariamente, elementos de resolução espacial menores, conferem aos sensor maiores resoluções espaciais. Existe ainda um terceiro domínio que é o domínio temporal, o qual refere-se ao período de tempo compreendido entre duas coletas de dados sobre uma mesma superfície do Introdução ao Sensoriamento Remoto terreno. Este domínio é expresso pela resolução temporal da plataforma que sustenta o sensor, podendo ser ela uma haste portátil, uma aeronave ou até mesmo um satélite. Diz-se que um sensor possui maiores resoluções temporais, quanto menores forem os períodos de tempo entre coletas de dados. Pelo já exposto, pode ser verificado que a Radiância é também dependente da intensidade do fluxo radiante que atinge o objeto (Irradiância). Quanto maior for essa intensidade, maior também será aquela referente ao fluxo que deixa o objeto, e consequentemente, maior será a Radiância. Para que se conheça as propriedades intrínsecas dos objetos em termos de sua interação com a REM, faz-se necessária a apresentação de mais um conceito importante que é o da Reflectância. A Reflectância representa uma relação entre a Radiância refletida de um dado objeto pela Irradiância. Nota-se portanto que a Reflectância expressa as propriedades instrínsecas dos objetos em refletir a REM sobre eles incidente. Ela é expressa em percentagem, possuindo então um caráter relativo. É através da Reflectância que são estudadas as características intrínsecas dos objetos em refletir a REM incidente, pois ela é dependente das suas propriedades físico- químicas. Este estudo é denominado de estudo do Comportamento espectral de alvos, cujos principais aspectos serão apresentados oportunamente. 3. TIPOS DE DADOS DE SENSORIAMENTO REMOTO Os tipos de dados de sensoriamento remoto a ser adquiridos dependem do tipo de informação necessária, do tamanho e da dinâmica dos objetos ou fenômenos estudados. Conforme já mencionado anteriormente, a aquisição de dados é viabilizada através de instrumentos denominados sensores que diferenciam-se entre si pela forma de funcionamente e por suas “capacidades” (resoluções espacial, espectral e radiométrica). A Figura 3.1 apresenta um esquema no qual são relacionados alguns tipos de sensores e o papel que têm na aquisição dos diferentes tipos de informação. Informação Espacial Difissômetros Radiômetros Espectrômetros— Espetroradiômetros Informação Informação sobre Especiral Intensidade Fig. 3.1 — Diferentes tipos de informações disponíveis em diferentes tipos de sensores (Adaptado de Elachi, 1987). Os dados de sensoriamento remoto podem ser adquiridos no formato de imagens bidimensionais quando são necessárias informações com alta resolução espacial, como é Introdução ao Sensoriamento Remoto o caso da imagem TM/Landsat da Figura 3.2. Tais imagens também são importantes quando se deseja informação sinóptica sobre amplas áreas como aquelas fornecidas pelos satélites meteorológicos (Figura 3.3). As imagens bidimensionais podem ser adquiridas em diferentes regiões do espectro eletromagnético, tais como a região visível, termal, microondas, etc.; com canais de diferentes resoluções espectrais que vão de poucos nanômetros, como é o caso dos sensores hiperespectrais, até sistemas pancromáticos que integram radiação em todo o espectro visível. Os Espectrômetros são utilizados para detectar e medir o conteúdo espectral de um campo eletromagnético. Este tipo de informação é importante para a identificação da composição química dos objetos. Quando se estuda a atmosfera, os aspectos espaciais são menos críticos do que quando se estuda a superfície terrestre, porquê o gradiente de mudança da composição química é muito menor. Assim sendo, os sensores para o estudo da composição química da atmosfera não precisam ter resolução espacial elevada, mas precisam de excelente resolução espectral. No caso de estudos da superfície terrestre, quando há o interesse de conhecer a composição química das rochas, por exemplo, torna-se essencial uma boa resolução espacial, e neste caso, recomenda-se a aplicação de espectrômetros imageadores. Fig. 3.2 — Imagem bidimensional do terreno exemplificada por um subcena de uma imagem do sensor Thematic Mapper a bordo do satélite Landsat-5 Em inúmeras aplicações os ectos espectrais e espaciais são menos importantes e o que se necessita são medidas precisas da intensidade do campo eletromagnético em uma ampla região espectral. . Um exemplo de sensores utilizados com essa finalidade são os radiômetros, dentre os quais o Advanced High Resolution Radiometer que se encontra a bordo do satélite NOAA. O Radiômetro do NOAA foi concebido para fornecer informações preci sobre a temperatura. Assim sendo, a resolução espectral dos canais termais é de 1000 nm e a resolução espacial no nadir é de 1, 1 km. Mas a resolução radiométrica do sistema, ou seja sua capacidade de medir pequenas variações na intensidade da radiância medida pelo sensor é bastante alta (10 bits). Introdução ao Sensoriamento Remoto A Tabela 3.1 apresenta uma relação de diferentes tipos de informação comumente necessárias em estudos que envolvem a aplicação de técnicas de sensoriamento remoto, os respectivos tipos de sensores empregados e alguns exemplos de equipamentos atualmente disponíveis. Tabela 3.1 — Tipos de dados de sensoriamento remoto (Adaptado de Elachi, 1987) Tipo de informação necess ia Tipo de Sensor Exemplo de Sistemas Alta resolução espacial e amplo recobrimento Sensores imageadores e Large Format Câmera, radar do terreno câmeras imageador do satélite JERS-1 Alta resolução espectral sobre áreas limitadas Espectrômetro e espectro Shuttle Imaging Spectrometer radiômetros Resolução espectral limitada com alta resolução espacial Mapeadores multiespectrais TM/Landsat, HRV/Spot, RADARSAT Alta resolução espectral e alta resolução espacial Espectrômetros imageadores AVIRIS, MODIS, ASTER Alta precisão de medidas de intensidade ao longo de linhas ou faixas Radiômetros e Difusômetros ERS-l difusômetro Alta precisão de medidas de intensidade com resolução espacial moderada Radiômetros imageadores SMMR/AVHRR Alta precisão de localização e perfil Altímetros e sondas Altímetro TOPEX/Poseidon Altímetros Shuttle High Resolution Altimeter Mapeamento Tridimensional do Terreno 3.2 Sistemas sensores: sistemas fotográficos Uma vez que a energia emitida, retro-espalhada, ou refletida pelo alvo atinja o sensor, este deve ser capaz de realizar duas funções básica: a) focalizar a energia sobre um detetor; b) transformar a energia focalizada numa intensidade de sinal passível de ser registrada de forma permanente. Assim sendo, todos os sistemas sensores são composto por um sistema de lentes, um sistema de abertura óptica e um detetor. Nesse sentido, todo sistema sensor pode ser melhor compreendido através de sua analogia com o sistema visual humano. O estudo do sistema visual humano permite compreender as funções básicos de um sistema sensor. Segundo Slater (1980) o olho humano desempenha um papel muito importante na atividade de sensoriamento remoto, não só pela semelhança com os sistemas sensores desenvolvidos a partir de analogias com a visão humana, mas também, pelo fato de que toda a análise das imagens de sensoriamento remoto e tod: atividades de interpretação des: imagens repousam no processo de interpretação de cores, padrões e texturas. Segundo Slater (1980) os olhos são o derradeiro sensor contra o qual os demais são calibrados. 3.2.1. O sistema visual humano Uma completa descrição do olho humano pode ser encontrada em Maluf Rosa (1999). Como pode ser observado na Figura 3.4, o globo ocular é formado por três membranas: a) uma membrana externa, chamada esclerótica, formada por um tecido fibroso e responsável pela proteção das membranas internas e pela manutenção da forma do olho. A porção anterior da esclerótica é formada por um tecido transparente chamado córnea; b) uma membrana média, chamada vascular, formada pela coróide, pelo corpo ciliar e pela iris. Na porção anterior da membrana forma-se uma pequena abertura circular denominada pupila; Introdução ao Sensoriamento Remoto c) uma membrana interna, chamada retina ou membrana nervosa, formada por receptores, especializados em responder à estimulação pela luz e em transformar a energia luminosa em impulsos nervosos responsáveis pela “sensação de visão”. A iris é um diafragma circular, situado atrás da córnea e possuí uma abertura circular chamada pupila. A iris é formada por dois tipos de fibras musculares lisas dispostas circularmente e radialmente. Essas fibras são responsáveis pela variação do diâmetro de abertura da pupila nos processos de acomodação do olho a diferentes intensidades luminosas e a diferentes distâncias dos objetos. Entre a esclerótica e a córnea forma-se um meio transparente chamado humor aquoso, que preenche o espaço vazio entre a córnea e o cristalino. O cristalino é formado por um conjunto de lentes biconvexas encerradas por uma membrana fina chamada cápsula, e localizado imediatamente atrás da iris. O cristalino encontra-se à pequena distância atrás da pupila, e é mantido na posição através dos ligamentos suspensores. A cavidade ocular posterior ao cristalino é preenchida por uma substância gelatinosa transparente chamada corpo vítreo. Fig. 3.4 — Esquema do Olho Humano (Adaptado de Slater, 1980) A imagem formada pelas lentes é focalizada na retina, na porção posterior do olho. A retina, como já mencionado possui um mosaico de receptores sensíveis a luz, conhecidos por cones e bastonetes. Os cones ocupam uma região chamada de fóvea central, ao longo do eixo óptico. A fóvea central é a região da retina humana de maior acuidade visual, visto que os cones são sensíveis a altos e médios níveis de intensidade luminosa e às diferenças de comprimento de onda da energia proveniente dos diferentes objetos. Assim sendo, a percepção de cor é função dos cones, e se dá principalmente na região da fóvea central. A medida em que se distancia da fóvea central a densidade de cones da retina diminuí e esta passa a ser formada por bastonetes, os quais são responsáveis pela detecção de baixos níveis de energia, e não sensíveis a cor. Os cones são, desta forma, responsáveis pela o fotótica ou diurna, e os bastonetes, pela visão escotótica ou noturna. O máximo de sensibilidade média do olho humano à visão diurna encontra-se em 555 nm, enquanto o máximo de sensibilidade do olho humano à visão noturna encontra-se em 505 nm. A maior sensibilidade dos bastonetes a níveis mais baixos de energia se dá em detrimento da acuidade visual. Os cones permitem o reconhecimento de objetos muito menores do que os bastonetes. Introdução ao Sensoriamento Remoto 3.2.2- Analogia entre o olho humano e a câmera fotográfica Existem grandes semelhanças entre o olho humano e os sensores em geral, e a câmera fotográfica em particular. Es analogias podem ser observadas na Figura 3.5. Em ambos os sistemas, os raios luminosos são refratados e focalizados através de sistemas de lentes sobre uma superfície sensível. Na câmera fotográfica, esta superfície sensível é a película fotográfica (nos sensores de varredura multiespectral são os detetores). Nos olho humano esta superfície sensível é a retina. O meio refringente na câmara fotográfica são as lentes, nos sensores de varredura são lentes, grades de difração, espelhos, etc e no olho humano é o cristalino, a córnea, e em menor grau o humor aquoso e o humor vítreo. Et Filme . ] T A, iva E | e Piatrmgma 4 / A Feetisca mis a Fig. 3.5 - Esquema geral do olho humano como uma analogia de um sensor (Adaptado de Maluf Rosa, 1999). Como pode ser observado na Figura 3.5, a imagem de um objeto sofre uma inversão ao atingir a película. O mesmo ocorre com a imagem retiniana. E o processamento no cérebro que determina o reposicionamento da imagem. Da mesma forma, para que a imagem formada sobre a película fotográfica corresponda à imagem real, o filme é submetido a processamento fotográfico. 3.2.3. Visão das cores Existem diversas teorias sobre a visão das cores. À teoria mais aceita preconiza que existem três tipos de cones (receptores): sensíveis à luz vermelha, sensíveis à luz verde e sensíveis à luz azul. A luz branca ao incidir sobre a retina, estimularia igualmente todos os receptores. A luz vermelha ao incidir sobre a retina apenas estimularia os receptores sensíveis àquela radiação provocando a percepção visual da cor vermelha. Quando a cor amarela é vista, a sensação resulta do fato de que tanto os receptores sensíveis ao verde quanto ao vermelho estão sendo estimulados com a mesma intensidade. Introdução ao Sensoriamento Remoto A Figura 3.7 permite comparar dois filme de velocidade diferentes. O Filme A é um filme “rápido”, e o filme B é um filme “lento”. Em outras, palavras, o Filme A, tem um gama maior que 1 (um), um contraste alto, alta granularidade e pequena amplitude de exposição. O filme é sensível a baixos níveis de exposição e pode ser usado em situações que a velocidade de exposição deve ser alta. A resolução radiométrica do filme é pequena, mas sua resolução espacial é alta. O filme B é um filme com um valor de gama menor do que 1 (um), baixo contraste e baixa granularidade. Expenição emo a a, am a a [Filme B | | Filme A Fig 3.7 — Comparação de curvas características de filmes Existem diferentes tipos de filmes, mas eles podem ser classificados em duas amplas categorias: filmes preto e branco e filmes coloridos. Os filmes preto e branco caracterizam-se por serem sensíveis a uma ampla região do espectro eletromagnético. Os filmes preto e branco foram e são amplamente utilizados em atividades de aerolevantamento em fotogrametria pôr várias razões: 1) são mais baratos; são geometricamente estáveis, são ideais para aplicações métricas. Historicamente os filmes preto e branco tem sido amplamente utilizados em estudos e aplicações relacionadas ao levantamento de recursos naturais. Dentre as aplicações mais populares destacam-se: mapeamento geológico; identificação de culturas; levantamento de solos, etc. Outro tipo de filme preto e branco amplamente utilizado é o filme infravermelho preto e branco. A principal diferença entre o filme pancromático e o infravermelho preto e branco é que este último tem sua sensibilidade estendida à região do infravermelho próximo. Este filme pode ser usado com ou sem filtros. Quando utilizado com filtros que bloqueiam a radiação visível permite a aquisição de fotografias na região do infravermelho próximo. Este tipo de filme é muito útil em estudos voltados a identificação de doenças em plantas. A sensibilidade desse filme à umidade do solo torna esse filme muito útil também para mapear a condição hídrica dos solos. Essa mesma característica do filme tem sido utilizada para localizar limites geológicos associados a variações no conteúdo de umidade e à profundidade da camada de intemperismo. Os filmes infravermelhos podem ser também utilizados em sistemas fotográficos multi-bandas. Neste caso, sistemas de lentes e filtros permitem que a radiação em 20 Introdução ao Sensoriamento Remoto diferentes comprimentos de onda sejam focalizadas em diferentes regiões do filme, permitindo a recomposição posterior de uma fotografia colorida infra-vermelho. A Figura 3.8 mostra de forma esquemática um filme adquirido com um sistema fotográfico multi -banda. A cena foi imageada simultaneamente através de um filtro vermelho, verde, azul e infravermelho. Fig. 3.8 — Esquema de um filme infra-vermelho utilizado para adquirir fotografia aérea multi- banda. O quadro vermelho representa a imagem sensibilizada pela luz vermelha, o quadro verde pela luz verde, o quadro azul pela luz azul e o quadro lilaz pela radiação infravermelha. A composição colorida é obtida combinando-se três a três as diferentes imagens. Pode-se gerar uma composição infra-vermelha colorida, combinando-se, por exemplo, a imagem obtida no azul, no verde e no infra-vermelho, e associando-se cada uma dessas imagens a filtros das cores azul, verde e vermelho, respectivamente. Assim, na composição resultante tod: S superfícies com alta intensidade de sinal infra-vermelho aparerecerão na cor vermelha. Outra ampla categoria de filmes são os filmes coloridos. O olho humano pode perceber mais do que 20 000 variações de cores, enquanto percebe apenas 200 variações de níveis de cinza. Apenas esta diferença na percepção humana de cores já demonstra que os filmes coloridos apresentam um potencial de informação maior do que aquele apresentado pelos filmes preto e branco. Os filmes coloridos foram desenvolvidos de modo a simular a sensibilidade do olho humano as cores. Assim sendo, os modernos filmes coloridos possuem três camadas fotográficas: uma sensível à luz azul, outra sensível a luz verde e outra sensível à luz vermelha. As três camadas são superpostas formando um trio. Como a sensibilização de uma camada sensível ao verde ou vermelho não limita sua sensibilidade à radiação azul, a camada azul é colocada em primeiro lugar. Entre esta camada e as demais é colocado um filtro amarelo para absorver o remanescente da radiação azul, evitando que as demais camadas sejam atingidas por ela. Além dos grãos fotográficos, as camadas de um filme colorido possuem acopladores de cor (corantes). Assim sendo, na camada sensível ao vermelho, o acoplador é escolhido de maneira que o corante formado absorva a luz vermelha, resultando im a formação da cor complemetar, o ciano. De modo semelhante, forma-se um corante magenta na camada sensível ao verde, e um corante amarelo na camada sensível ao azul. O processo de formação de cores, nesse caso é subtrativo. As cores do objeto de interesse são “subtraídas” da imagem latente, sendo registrada apenas sua cor complementar. A Figura 3.9 ilustra o processo de formação de cores através da sensibilização e revelação de um filme colorido. Introdução ao Sensoriamento Remoto Ser voa ir aa ra eaginel o permito Apa a ma arpames ar emos desemboca Curas eupéim Cura predio Fig. 3.9 — Exemplo de processamento de filme colorido O custo de aquisição de fotografias aéreas coloridas é muito mais elevado do que o da aquisição de fotografias pancromáticas. Os filmes coloridos têm sido utilizados para uma ampla gama de aplicações em ecologia e em geociências. Devido à grande variedade de cores relacionáveis a diferentes espécies vegetais, as fotografias aéreas coloridas tem sido amplamente utilizadas na identificação de espécies; elas são também bastante utilizadas no estudo de diferentes tipos de culturas agrícol Existem ainda filmes coloridos infravermelhos e filmes infravermelhos falsa- cor cuja estrutura e processamento são bastante similares a dos filmes coloridos. O filme infra- vermelho falsa cor utiliza a camada sensível ao azul para registrar a radiação verde, e a camada sensível á radiação vermelha para registrar a radiação infra-vermelha. Assim sendo, as fotografias infravermelhas coloridas falsa-cor não trazem informações sobre o componente azul dos alvos, visto que ele é bloqueado por um filtro antes de atingir o filme. Assim sendo um objeto de cor azul da cena, aparecerá negro em uma fotografia colorida falsa cor. A Figura 3.10 ilustra a estrutura de um filme infra-vermelho falsa cor. 22 Introdução ao Sensoriamento Remoto A escala da fotografia (E) depende de duas variáveis: distância focal da câmara (f) e altura de vôo (Av). A distância focal da câmara é a distância entre o centro da lente e o filme. A altura de vôo é a altura da lente em relação ao nível do mar (A), menos a altura da superfície imageada em relação ao nível do mar(a). Essas relações podem ser observadas na Figura 3.12. Fig. 3.12 — Grandezas relacionadas à escala fotográfica (adaptado de Curran, 1985). Com base na Figura 3.12 pode-se verificar que a escala da fotografia aérea pode ser obtida a partir da relação expressa pela equação 3.1: E === E easnnaanao iara rear rerie teta rar cera reee eee reerreerranta (3.1) A-a Av Quando a altura de vôo é desconhecida ou quando a altura da superfície em relação ao nível do mar é desconhecida, pode-se estimar a escala da fotografia aérea estabelecendo uma relação entre o tamanho dos objetos na superfície e sua dimensão nas fotografias aéreas. Mede-se a distância entre dois pontos no terreno (DT) e a mesma distância entre os pontos na fotografia aérea (DF). A escala será dada pela razão conforme equação 3.2. DF PO (3.2) DT 25 Introdução ao Sensoriamento Remoto 3.4.1 Visão estereoscópica Uma das grandes vantagens da fotografia aérea é a possibilidade de visão tridimensional ou estereoscópica. Esta visão é possível devido ao chamado efeito de paralaxe. Este efeito consiste na possibilidade de observação simultânea de um mesmo objeto segundo dois ângulos de observação distintos. Este efeito é utilizado pelo cérebro humano para proporcionar a percepção de profundidade, no caso específico da visão humana. Este efeito é aproveitado ao se obterem fotografias aéreas para que possa reproduzir a percepção humana de visão em profundidade. Para que as fotografias aéreas possam ser observadas estereoscopicamente são necessários equipamentos conhecidos pelo nome de estereoscópios. Existem dois tipos básicos de estereoscópios: os estereoscópios de bolso, que permitem a visualização de pequenas regiões da foto, e os esteroscópios de espelho, que permitem a visão de todo o modelo estereoscópio reproduzido por um conjunto de fotos. A propriedade de paralaxe do modelo estereoscópico permite a aquisição de medidas de altura a partir de fotografias aéreas. A Figura 3.13 ilustra o procedimento utilizado para a obtenção de medidas de altura a partir de pares estereoscópicos. Distância entre os topos da árvore + —1J—+ e————————S+ ! t ' tados 4 1 Dis ncia entre as bases da árvore ' i Fig. 3.13 — Esquema de aquisição de medidas de altura de objetos em fotografias aéreas verticais. A altura do objeto de interesse pode ser obtida a partir da equação 3.3: Apx Av ea (33) onde: h= altura do objeto Ap= diferenças em distância entre o topo e a base do objeto nas duas fotografias (em mm) Pa = distância entre o ponto central das fotos Av= altura de voo. 26 Introdução ao Sensoriamento Remoto 3.5 Interpretação de fotografias aéreas A interpretação de fotografias aéreas pode ser formalmente definida como o ato de examinar imagens fotográficas com o propósito de identificar objetos e exercer julgamento sobre o seu significado. Durante o processo de interpretação, os intérpretes realizam tarefas tais como: detecção, reconhecimento e identificação, análise, dedução, classificação, idealização e determinação da exatidão. O processo de detecção envolve o ato de identificar objetos que são imediatamente visíveis tais como confluências de rios, estradas, ou indiretamente visíveis, tais como áreas de solos encharcados. O processo de reconhecimento envolve dar nomes aos objetos e deduzir o seu significado e está relacionado aos chamados “elementos da fotointerpretação” que são: a forma, a textura, o tamanho, a cor, a tonalidade, a sombra e o contexto. Cada um destes elementos tem sua correspondência com os domínios das técnicas de sensoriamento remoto que são o domínio espacial, o espectral e o temporal. O intérprete de fotografias aéreas precisa primeiramente saber com exatidão a sensibilidade espectral do filme utilizado na geração das fotografias com as quais elaborará o serviço de interpretação, uma vez que a cor, a tonalidade s serão função do processo de interação da m como já discutido anteriormente. A escala das fotografias exerce influência direta na definição das formas, das texturas, dos tamanhos e no contexto assumidos pelos objetos. Sob ponto de vista espectral, os filmes fotográficos atuam em regiões relativamente extensas do espectro eletromagnético, o que lhes confere resoluções espectrais grosseiras quando comparados com os sensores eletro-Ópticos (que serão apresentados a seguir). 3.6 Sistemas sensores: imageadores eletro-ópticos 3.6.1 Sistemas imageadores A principal diferença entre os sistemas fotográficos e os sistemas imageadores eletro-ópticos reside no fato de que estes podem produzir um sinal elétrico o qual pode ser transmitido a uma estação remota. Enquanto os sensores fotográficos possui um detetor foto- químico (o filme), os sensores imageadores eletro-ópticos possuem detetores capazes de transformar a radiação eletromagnética em um sinal elétrico. Se for abstraída a diferença entre os tipos de detetores, os sistemas imageadores eletro-ópticos possuem basicamente os mesmos componentes de um sistema fotográfico, ou seja, um sistema coletor de energia composto por lentes e espelhos, cuja principal função é concentrar a radiação proveniente do objeto sobre um detetor. Para o caso dos sistemas fotográficos, a resolução espectral é dada pela sensibilidade espectral do filme fotográfico utilizado, enquanto que a resolução espacial é dependente do tamanho dos sais de prata. Nos sistemas eletro-ópticos, a resolução espectral é dependente da sensibilidade espectral de detetores, geralmente constituídos por ligas metálicas que têm a propriedade de “traduzirem” determinados valores de radiância em pulsos elétricos; enquanto que a resolução espacial é função do tamanho do elemento de resolução da cena, corriqueiramente denominado de pixel (Picture Element). Para melhor entender do que estamos tratando, observemos a Figura 3.14 que ilustra a configuração básica de um sistema imageador. Como pode ser observado nessa figura, a radiação proveniente de um pixel da superfície terrestre passa através de um telescópio (um conjunto de lentes que permite focalizar a radiação proveniente de um pixel do terreno sobre um espelho giratório, o qual reflete a radiação para um sistema ótico a partir do qual ela é direcionada para uma grade dicrômica com a propriedade de 27 Introdução ao Sensoriamento Remoto termais precisam ser resfriados á temperaturas de —243º C o que é feito a partir do uso de hélio ou nitrogênio líquido. O tipo e o sistema de registro de um sistema imageador depende da tecnologia utilizada. A maioria dos sistemas aerotransportados possuem um tubo de raios catódicos que permite que o operador observe os dados na medida em que são adquiridos. Alguns sistem: possuem também subsistemas de registro analógico dos dados em filmes. Outros sistemas registram os sinais eletricos diretamente em fitas magnéticas, outros sistemas, os mais modernos, permitem a conversão dos sinais analógicos em digitais antes de serem armazenados ou trasmitidos telemetricamente. Conforme mencionado anteriormente, a resolução espacial destes sistemas eletro-ópticos é dependente do tamanho do pixel. A Figura 3.16 apresenta uma cena imageada com quatro diferentes resoluções espaciais. À medida que o tamanho do pixel aumenta, a imagem resultante apresenta-se menos definida, o que implica em concluirmos que quanto maior o tamanho do pixel, menor a resolução espacial do sensor. Fig. 3.16 - Simulação de dados de sensoriamento remoto orbital (resoluções Im, 2m, 3m e Sm). Fonte: Jensen (1995), p.9 As alterações da escala destas imagens também difere um pouco do procedimento adotado com os filmes fotográficos. Aqui, imaginando uma imagem gerada a partir de um sistema eletro-óptico e visualizada em uma tela de um computador na escala de 1:100.000. Para alterarmos essa escala para 1:50.000, por exemplo, ocorrerá um processo denominado de re- amostragem, no qual alguns pixels de cada linha gerada no imageamento serão “retirados” da imagem e seus vizinhos passarão a ocuparem seus lugares, dando a impressão de que os objetos 30 Introdução ao Sensoriamento Remoto contidos na cena aumentam de tamanho, mas em realidade, o que está de fato acontecendo é a perda de informação. 3.6.2 Tipos de imageadores Os sistemas imageadores podem ser grosseiramente classificados em três tipos: imageadores de quadro; matriz linear de detetores, e varredores mecânicos. A Figura 3.17 ilustra as principais diferenças de configuração desses diferentes tipos. Eapelho girstórin Sistema áprico Plano da imagem Detetor Sistema óptico Varredura mecúnica Mimtriz bimenr de detectores piasdiberona” Fig. 3.17 — Tipos de Sistemas Imageadores (Adaptado de Elachi, 1987) Os imageadores de quadro são os mais antigos e se desenvolveram a partir dos sistemas de televisão. Tais sensores possuem um sistema óptico grande angular que focaliza toda a energia proveniente da cena sobre um tubo foto-sensível. Ao contrário do esquema de imageamento da Figura 3.16, em que a imagem é “vista” e construída ponto a ponto, no sistema de quadro, a imagem é formada instantaneamente sobre o tubo foto-sensível. Essa imagem é então “varrida” por um feixe de eletróns e é convertida em sinal. As superfícies foto-sensíveis que formavam o tubo desses sistemas eram limitadas a radiação visível o que reduzia problemas de difração da luz e permitia um longo tempo de exposição o que garantia melhor definição do sinal recebido. Um exemplo dos sistemas de quadro são as câmaras RBV (“Return Beam Vidicon”) que operavam a bordo dos três primeiros satélites da série Landsat. Mais informações sobre a configuração do sistema podem ser obtidas em Slater (1980). Esse tipo de sistema sensor foi substituído amplamente pelos sistemas de varredura mecânica e pelos sistemas baseados em matrizes de detetores. As principais limitações tecnológicas que o tornaram superado foram: 1) sensibilidade espectral limitada; 2) precisão radiométrica limitada. 31 Introdução ao Sensoriamento Remoto Os sistemas de varredura mecânica compõem-se basicamente de um espelho giratório que “varre” a superfície imageada e focaliza a energia proveniente do solo sobre um detetor pontual. Assim sendo, a imagem é construída ponto a ponto a cada variação instantânea da posição do espelho. Os imageadores baseados em matrizes lineares de detetores utilizam sistemas ópticos de grande campo de visada, o que permite que toda a faixa perpendicular ao deslocamento da plataforma seja imageada instantaneamente. A medida que a plataforma se move ao longo da órbita, linhas sucessivas são imageadas pela matriz linear e amostradas por um multiplexador responsável pela transmissão dos sinais. Esse sistema tem diversas vantagens dentre as quais a possibilidade de um maior tempo de integração do sinal em cada detetor, o que aumenta a razão sinal/ruído (nível de ruído do detetor baixo em relação ao sinal registrado). Outra característica interessante é a ausência de partes móveis (tais como o espelho giratório) sujeitas a desgaste mecânico ao longo do tempo de operação do sensor. O sistema apresenta também algumas desvantagens, dentre as quais o grande número de detetores envolvidos e necessidade de intercalibração entre eles e aumento da necessidade de processamentos para correção radiométrica dos dados. A Tabela 3.2 permite comparar os três sistemas de imageamento eletro-óptico, suas vantagens e desvantagens. Tabela 3.2 — Comparação entre os diferentes sistemas de imageamento (Fonte: Elachi, 1987) Tipo Vantagem Desvantagem Sistema de Quadro Baixa resolução espectral Limitação da área da superfície (varredura eletrônica) Dados em formato digital foto-sensível Boa fidelidade geométrica Varredura Mecânica Detetores simples Pequeno tempo de integração Sistema ótico de pequeno do sinal. campo de visada Partes móveis Ampla capacidade de cobertura | Mais susceptível a distorções perpendicular ao deslocamento geométricas. da aeronave Possibilidade de alta resolução espectral. Matriz Linear de Detetores Grande tempo de integração Sistema ótico com amplo (pushbroom) para cada detetor campo de visada (mais pesado, Grande fidelidade geométrica mais sujeito a distorções perpendicularmente ao óticas). deslocamento da plataforma 3.6.3.Detetores Um dos elementos críticos dos sistemas imageadores são os detetores. Há dois tipos básicos de detetores: os detetores térmicos e os detetores quânticos. Nos detetores térmicos, a energia radiante é absorvida e convertida em energia calorífera. O aquecimento sofrido pelo detetor é proporcional a energia absorvida, e provoca mudança na resistência, no caso de piranômetros e bolômetros, ou de voltagem no caso de um termopar. Os detetores quânticos respondem diretamente ao número de fótons incidentes, embora também seja sensível à energia do fóton. Existem diferentes tipos de detetores quânticos tais com os detetores fotovoltáicos, fotocondutores e fotoemissores. Um detetor fotovoltáico consiste de uma célula em que duas substâncias distintas encontram-se em contato. A luz incidente sobre a célula gera uma diferença 32 Introdução ao Sensoriamento Remoto antenas de radar se caracterizam por ondas eletromagnéticas com comprimentos que variam de Im a Imm (ou fregiiências entre 0,3 GHz e 300 GHz). Do ponto de vista das atividades de sensoriamento remoto, o fato dos sistemas de RADAR operarem nesses comprimentos de onda, traz algumas vantagens: e As microondas são passíveis de penetrarem núvens, chuva, fumaça e neblina. Em comprimentos de ondas menores (6 cm) chuvas e núvens espessas podem afetar o sinal de radar; * As microondas são sensíveis a propriedades distintas daquelas que afetam a radiação na região do visível e infravermelho. As imagens de radar apresentam informações que são qualitativamente e quantitativamente diferentes daquelas registradas em imagens ópticas, sendo portanto, complementares àquelas. Ao contrário dos sistemas ópticos, os sensores de microondas operam em bandas específicas para as quais foram associadas letras. As bandas em uso atualmente encontram-se resumidas na Tabela 3.3. Tabela 3.3 — Bandas de operação de sistemas RADAR e suas aplicações (Fonte:RADARSAT, 1997). Banda Comprimento de onda Freqiiência Principal Aplicação (cem) (GHz) x 24-38 8,0-12,5 Reconhecimento militar, reconhecimeno de terreno c 3,8-7,5 4,0-8,0 Monitoramento de gelo e aplicações oceanográficas. Ss 7,5-15,0 2,0-4,0 Reconhecimento de terreno L 15,0-30,0 1,0-2,0 Mapeamento de cobertura vegetal P 75,0-133,0 0,225-0,400 | Mapeamento de cobertura vegetal 3.7.2 Geometria de imageamento RADAR A geometria de imageamento, ou geometria entre o sensor SAR e a superfície pode ser descrita pelos seguintes parâmetros ilustrados na Figura 3.21. Fig. 3.21 — Geometria de imageamento RADAR. (Adaptado de RADARSAT, 1997). 35 Introdução ao Sensoriamento Remoto Altura: representa a distância vertical entre a plataforma e um ponto da superfície terrestre imediatamente abaixo dela. A altura nominal dos satélites de sensoriamento remoto se refere à altura acima do elipsóide de referência que representa o nível médio do mar. Nadir: representa o ponto imediatamente abaixo da plataforma. Azimute: representa a direção no terreno paralela ao movimento do satélite. Vetores de range(ou alcance): representam vetores que conectam o radar aos elementos do terreno correspondentes a cada medida de distância a cada instante em que o pulso de microondas é transmitido. Distância inclinada (“slant range”): representa a distância do sensor ao alvo ao longo da direção de range (ou distância perpendicular ao deslocamento da plataforma), também conhecida por “distância percebida pelo RADAR) Distância no terreno (“ground range”): representa a distância inclinada projetada sobre a superfície terrestre, também conhecida por distância real ou distância geográfica. Near range (Alcance Próximo): região mais próxima ao ponto nadir. Far range (Alcance Distante): região mais distante do ponto nadir. Largura da Faixa (“swath width”): representa a largura da faixa imageada na direção perpendicular ao deslocamento da plataforma. Comprimento da Faixa (“swath length”): representa a distância imageada na direção azimutal. Ângulo de iluminação: representa o ângulo entre o vetor normal a Terra e o vetor de range medido na posição do RADAR. Este ângulo determina a distribuição da iluminação do radar através da faixa imageada. A medida que a altura do radar aumenta, o ângulo de iluminação correspondente a largura da faixa (range) diminui. Ângulo de incidência: representa o ângulo entre os vetores de range e vertical local. 3.7.3 Tipos de sistemas RADAR Existem basicamente dois tipos de sistemas RADAR. O mais antigo, e já fora de funcionamento é o Radar de Abertura Real. Os radares de abertura real são configurados de tal modo que a resolução espacial na direção azimutal seja proporcional à distância entre o sensor e a superfície. A largura do feixe da antena (b) determina a resolução espacial na direção azimutal. Assim sendo o tamanho do pixel varia em tamanho do near range para o far range. Nos sistemas de abertura real a resolução diminui com a diminuição da distância do pulso à antena. A Figura 3.22 ilustra o efeito da distância em range sobre a resolução azimutal nos sistemas de abertura real. 36 Introdução ao Sensoriamento Remoto Ângulo de depressão da antena E GD2 Fig. 3.22 — Dependência da resolução espacial em azimute da largura do feixe. A largura do feixe produzido pela antena () determina a resolução espacial na direção Azimutal (Sra). Esta resolução é calculada a partir da equação 3.7: Sra= GD B.........c. ti irrereeereereree erre cre ceee aeee teme reeeemereeeenereeerrererereners (3.7) Onde: GDa= Distância em range B = Ângulo da antena O grande problema dos radares de abertura real é o de que o ângulo dependia do tamanho físico da antena, conforme pode ser deduzido pela equação 3.8: A B=————— tttereeeeeeeeereeeme cre are aee remeameranee rare nereeereereeeened (3.8) AL onde: B= ângulo de abertura da antena A= comprimento de onda da radiação transmitida pela antena. AL= comprimento da antena Como se pode deduzir da equação 3.8, para haver uma redução do ângulo de abertura da antena, é necessário aumentar o comprimento da antena, o que é fisicamente impossível a partir de uma certa dimensão. A resolução espacial em range depende da duração do pulso transmitido. Esta resolução representa a metade da duração do pulso. Se dois campos estão distanciados entre si na direção de range por uma distância menor que a metade da duração do pulso, o primeiro pulso transmitido pela antena terá alcançado o campo mais distante e estará retornando ao mesmo tempo que o pulso emitido pela antena e refletido pelo alvo estará retornando também. Com isso, os dois sinais se misturarão e não será possível “resolver” os dois campos como alvos distintos. A resolução espacial na direção de range é dada por (SRr) conforme equação 3.9: 37 Introdução ao Sensoriamento Remoto depende das características dos objetos da superfície e pode ser utilizado para sua discriminação. Para aproveitar esta propriedade dos alvos, as antenas de radar são também construídas de modo a receber a radiação de retorno segundo um dado plano de polarização. Assim sendo, os sistemas que emitem e recebem onda polarizada no plano vertical são conhecidos como sistemas de polarização VV (este é o caso do ERS-1 e 2), istemas que emitem e recebem onda polarizada no plano horizontal são conhecidos como sistemas de polarização HH (este é o caso do RADARSAT e do JERS-1). Alguns sistemas experimentais também podem operar com polarização cruzada, ou seja, transmitem segundo uma polarização e recebem segundo a polarização oposta (este é o caso do SAR do Convair 580 do CCRS, e do AirSAR da NASA- JPL). e Resolução Espacial A resolução espacial é uma das variáveis mais importantes para a determinação do conteúdo de informação das imagens de radar. A resolução é definida como a habilidade do sensor identificar dois alvos próximos como pontos distintos. No caso dos sistemas de radar existem dois tipos de resolução espacial, a resolução na direção azimutal e a resolução na direção de range. A resolução azimutal é definida pelo processamento de sinal tal que nos sistemas de abertura sintética (SAR) ela se torna independente do tamanho da antena. A resolução na direção de range é determinada pelo largura do pulso transmitido e por sua duração. 3.7.6 Variáveis ligadas ao objeto imageado * Forma Geométrica A forma geométrica dos objetos pode alterar a quantidade de energia retro- espalhada. Dentre as variáveis que descrevem a forma dos objetos destacam-se a altura, porcentagem de recobrimento do substrato, etc. No caso de culturas por exemplo, a altura das culturas interfere na profundidade de penetração e portanto na proporção de retro-espalhamento associado a ela e ao seu substrato. Há alguns mecanismos específicos de espalhamento decorrentes da forma dos alvos cujo sinal de retorno é desproporcional a seu tamanho. Alvos pontuais coerentes permitem que uma grande fração da radiação seja retro-espalhada sem que o sinal seja afetado por interferência destrutiva. Sinais coerentes de retorno são originários por processos de espalhamento simples tais como os de reflexão especular. Quando a geometria da superfície é adequada, processos de espalhamento múltiplo coerente pode produzir sinais de retorno muito intensos também. Alvos deste tipo são normalmente classificados como refletores de canto (corner reflector) que podem ter a forma de um triedro ou de um diedro. O retorno de um diedro é apenas intenso quando a superfícies refletoras são perpendiculares à direção de iluminação. As reflexões mais intens: o causadas por refletores em forma de triedro. Os principais exemplos de refletores de canto são as construções humanas tais como pontes, torres, postes de luz junto a superícies líquidas, etc. e Rugosidade da superfície A rugosidade é sempre definida em termos da variação estatística da altura e largura das irregularidades da superfície. Esta rugosidade pode ser expressa em termos de desvio médio da variação da altura e largura das irregularidades. * Constante Dielétrica A constante dielétrica é uma medida das propriedades dielétricas dos materiais, incluindo o grau com que absorve, reflete e transmite micro-ondas em resposta à radiação Introdução ao Sensoriamento Remoto incidente. O índice de refração dos materiais varia com a raiz quadrada da magnitude da constante dielétrica. Assim sendo, materiais com elevada constante dielétrica interagem ativamente com as micro-ondas aumentando o coeficiente de retro-espalhamento. A intensidade do sinal de retorno é portanto dependente da constante dielétrica dos materiais, da distribuição de elementos espalhadores e do número de partículas espalhadoras. Quando esses elementos se mantém constante, os materiais com elevadas constantes dielétricas apresentam maior retro- espalhamento e portanto apresentam uma aparência mais clara nas imagens. De modo geral, na natureza a água, a vegetação verde, os metais, os sais possuem elevada constante dielétrica, enquanto a areia, vegetação morta, solos secos possuem baixa constante dielétrica. 4. Comportamento Espectral de Alvos O termo Comportamento espectral de alvos tem sido atribuído pelos profissionais que atuam na aplicação do SR no estudo dos recursos naturais, como ao estudo da Reflectância espectral destes recursos, quer sejam: vegetação, solos, minerais e rochas, água, etc. Em termos mais abrangentes, estudar como um objeto se comporta espectralmente, deveria contemplar os três fenômenos já mencionados que ocorrem após a indicência da REM sobre um dados objeto: reflexão, transmissão e absorção. Assim, o comportamento espectral de um alvo só é plenamente compreendido quando são estudadas suas propriedades de refletir, transmitir e absorver a REM. Contudo, serão enfatizadas aqui as propriedades de reflexão dos alvos (recursos naturais), uma vez que a maioria dos sensores atualmente disponíveis para o estudo dos recursos naturais, utilizam a REM refletida por eles. A caracterização de como e de quanto um objeto reflete de REM pode ser feita em diversos níveis e formas. Nos primeiros estão incluídos os chamados níveis de aquisição de dados, os quais podem ser de laboratório, campo, aéreo e orbital. Em cada um destes níveis podem ser adotadas variadas formas, as quais incluem as chamadas geometrias de iluminação e de visada. A primeira refere-se ao posicionamento espacial da fonte de REM em relação ao objeto, enquanto que a segunda refere-se ao posicionamento espacial do sensor. Os níveis e as formas condicionam as caracterizações tornando seus resultados específicos para as situações nas quais foram concebidos. Este fato torna imprescindível que em qualquer caracterização da Reflectância espectral de um objeto, sejam bem descritas as condições de iluminação e visada adotadas, tanto no que se refere aos domínios espacial, espectral, temporal e ainda das suas geometrias. Os aspectos que serão apresentados a seguir referem-se às características básicas dos principais recursos naturais em refletir a REM sobre eles incidente. A Figura 4.1 ilustra um gráfico contendo as curvas de Reflectância de alguns recursos naturais e de alguns artefatos feitos pelo Homem. Como pode ser observado nesta Figura 4.1, na região do visível (0,4 a 0,7 um) a maioria das curvas dos alvos apresentados encontram-se muito próximas entre si, em contraste com um maior distanciamento entre elas na região espectral (infravermelho próximo, de 0,7 a 0,9 tum). Isto indica que na região do visível, os alvos apresentam-se “parecidos”, enquanto que na região do infravermelho eles podem ser mais facilmente individualizados. Nos pontos de intersecção entre as curvas, os quais ocorrem com alguma frequência em pontos específicos do espectro, diz-se que os alvos apresentam a mesma Reflectância, ou seja, eles assumem uma mesma “aparência” quando observados mediante alguma técnica de SR. 4 Introdução ao Sensoriamento Remoto REFLECTÂNCIA dd ads | aa as 08 E oa E SRAMA NATURAL mem coNSRETO SOLO ARENOSO sascaLno BRMPO SEY GULTURA ASFALTO GRAMA ARTISICIAL —-— mem dous Fig. 4.1 Gráfico contendo as curvas de Reflectância para alguns recursos naturais. Estas curvas de Reflectância são curvas médias que somente ilustram as formas típicas dos alvos apresentados refletirem a REM sobre eles incidente. Servem então somente de base para formar uma idéia da reflexão destes alvos, não sendo possível sua generalização, uma vez que também não foram fornecidas informações adicionais sobre as condições (geométricas e dos próprios alvos) adotadas quando foram geradas. Esta forma típica é geralmente referenciada com o termo Assinatura Espectral. Através da análise de curvas como estas apresentadas na Figura 4.1, pode ser prevista a aparência de alvos em produtos de SR, tais como imagens orbitais e/ou fotografias aéreas. Esta aparência é expressa pela tonalidade (clara ou escura) assumida pelos alvos e dependendo do tipo de produto, ela ainda pode ser expressa pela cor e pela textura. O conhecimento sobre o comportamento espectral de alvos é portanto fundamental para a extração de informações a partir de produtos de SR, quer sejam fotografias, ou imagens. 4.1 Comportamento espectral da água Para estudar qualquer fenômeno, o primeiro passo, e o mais importante é definir com clareza o que se está estudando. Uma estratégia geralmente adotada para se definir um objeto de estudo é identificar as diferenças e as semelhanças que este objeto de estudo tem em relação a outros objetos. Se as semelhanças forem maiores que as diferenças, talvez, este objeto não seja merecedor de uma abordagem especial. Se as diferenças forem relevantes, então, este objeto merecerá um tratamento diferenciado. Por isso, neste tópico estaremos tentando identificar as diferenças entre a Água e os demais “ alvos” estudados no âmbito do sensoriamento remoto da superfície terrestre. Estes “alvos” principalmente estudados quando da aplicação das técnicas de sensoriamento remoto no estudo dos recursos naturais são: Solos, Rochas, Culturas Agrícolas, Vegetação, Água. Uma coisa intrigante é a distinção entre “culturas Introdução ao Sensoriamento Remoto experimentais realizados principalmente pela comunidade ligada a sistemas aquáticos continentais, e por outro lado numerosos trabalhos de simulação e modelagem matemática, realizados por pessoas oriundas da comunidade de oceanógrafos físicos. Essas diferenças de abordagem deste alvo, fez com que a metodologia de aquisição de dados, a nomenclatura, os conceitos utilizados, etc., sejam bastante específicos para o alvo água. Pôr isso, antes de nos aventurarmos pelo estudo do comportamento espectral da água, teremos que nos deter um pouco no estudo de alguns conceitos básicos. 4.1.1- Propriedades ópticas da água. As propriedade ópticas da água apresentam grande variabilidade no tempo e no espaço em decorrência das propriedades gerais da água. Existe uma forte conexão entre as propriedades ópticas da água e os constituintes da água, e é essa conexão que torna importante a óptica hidrológica e que indica perspectivas otimistas ao sensoriamento remoto de sistemas aquáticos. A Figura 4.4 resume algumas dessas conexões. Fluxo Ascendente Não Seletivo *Particulas > 700 nm Seletivo “Partículas < 700 Seletivo «moléculas d'água «fitoplâncton «substâncias húmicas “sais dissolvidos Figura 4.4 — Relações entre as propriedades ópticas da água e a as propriedades biológicas, físicas, e químicas dos sistemas aquáticos. Como se pode observar na Figura 4.4, tem-se de um lado, o fluxo de energia incidente sobre um dado corpo d'agua. Esta energia pode alcançar a superfície como um campo de luz direcional, segundo um dado ângulo de incidência e também como um campo de luz difusa oriundo da interação da radiação com a atmosfera. O espectro de radiação que interessa aos processos vitais dos sistemas aquáticos é a radiação conhecida por fotossintéticamente ativa, ou seja, aquela que vai proporcionar a energia necessária para que ocorra a fotossíntese. Essa radiação encontra-se compreendida entre 400 nm e 700 nm. A radiação que atinge a superfície da água, tanto a difusa, quanto a direta, é parcialmente refletida pela água e parcialmente transmitida através da interface ar/água. A proporção da energia que é transmitida ou refletida pela água varia amplamente em função de 45 Introdução ao Sensoriamento Remoto fatores que serão discutidos oportunamente. A maior parte, entretanto, da energia incidente sobre o corpo d'água é transmitida pela interface ar/água e fica então a ação de dois proces: a absorção e ao espalhamento. A absorção e o espalhamento são duas propriedade ópticas inerentes da água, por que seus coeficientes variam apenas com as propriedade do meio aquático e não com as propriedades do campo de luz incidente. O espalhamento pode ser seletivo ou não seletivo e é provocado pela própria água e pelas partículas em suspensão na água. A absorção é sempre seletiva e depende dos componentes dissolvidos e em suspensão na água. Estas propriedades serão tratadas mais em detalhe nos próximos tópicos. O fato é que ao penetrar na coluna d'água a radiação sofre alterações quantitativas e qualitativas, ou seja, a quantidade de energia inicial vai sendo atenuada a medida que o feixe é transmitido para as camadas mais profundas. Esta atenuação é seletiva e o decaimento da potência é exponencial, ou seja, diminui rapidamente nos primeiros metros e depois mais e mais lentamente, até o limite da zona eufótica. Portanto a quantidade e qualidade da luz submersa a cada nível da coluna d“agua está em íntima relação com a composição da água e com seus componentes físicos, químicos e biológicos. 4.1.2 Absorção no meio aquático A absorção de luz no meio aquático é decorrente da presenças de quatro componentes básicos: a própria água, substâncias dissolvidas na água (substância amarela ou matéria orgânica dissolvida), biota fotossintetizadora (fitoplâncton e macrófitas quando presentes) e partículas não vivas (partículas orgânicas mortas e partículas inorgânicas). Na Figura 4.5 pode-se observar a variação espectral do coeficiente de absorção da água. Através de sua análise pode-se constatar que até em torno de 450 nm, a absorção pela água pura é desprezível e que praticamente toda energia que atravessa a interface ar/água atravessa em quase toda sua totalidade os primeiros metros. ç 2,5 E ê 2 215 o v o 1 2 5 o 05 ê Õ 0 T T T 1 280 380 480 580 680 780 880 Comprimento de onda (nm) Figura 4.5 Coeficiente de absorção da água pura (adaptado de Kirk, 1995). A presença de matéria orgânica dissolvida (gilvin ou substância amarela) é um dos componentes responsáveis pelo aumento do coeficiente de absorção da água. As propriedades de absorção dessas substâncias podem ser determinadas a partir do espectro de absorção de água natural filtrada com filtro de porosidade entre 0, 2 um e 0,4 um usando cubas de 5cm a 10cm. A Figura 4.6 ilustra o espectro de absorção por matéria orgânica dissolvida em um lago. 46 Introdução ao Sensoriamento Remoto 40 35 30 25 20 15 10 Coeficiente de Absorção da Matéria Orgânica Dissolvida (mi!) 300 400 500 800 700 Comprimento de Onda (nm) Figura 4.6 Espectro de Absorção de Matéria Orgânica Dissolvida na Água (Fonte: Kirk, 1995). A análise desta Figura 4.6 revela que a presença de matéria orgânica dissolvida na água provoca profundas modificações no processo de absorção da luz no meio aquático. Em primeiro lugar, o máximo de absorção da água com matéria orgânica dissolvida ocorre na região de mínima absorção da água pura. É na região do azul em que se dá o maior contraste na absorção da água pura e da água com altas concentrações de matéria orgânica dissolvida. Os coeficientes de absorção da matéria orgânica dissolvida se equivalem numericamente aos coeficientes de absorção da água pura no infravermelho. Na região do verde e vermelho, entretanto, esse coeficiente é bem menor. A Figura 4.7 mostra o espectro de absorção da clorofila para duas concentrações, 50 mg mº e 5 mg m”. 4 eeo No - f = í 50 mg mê , 0,6 = Clorofita (m Sos ora 0,2 Coeficiente de Absorção da o 400 450 500 550 600 650 700 Comprimento de onda (nm) Figura 4.7 Coeficiente de absorção da clorofila a diferentes concentrações (Adaptado de Mobley, 1994) O coeficiente de absorção da clorofila tem dois máximos, um na região do azul, em torno de 450 nm e outro na região do vermelho, em torno de 650 nm. Estes máximos estão associados às clorofilas a e b, as quais tem seus picos de absorção em 430 nm e 665nm, respectivamente. A clorofila ocorre abundantemente nas mais diferentes espécies de algas e sua concentração, em miligrama, geralmente é utilizada como uma medida da abundância fitoplâncton. As concentrações de clorofila para os vários tipos de água podem variar de 0, 01 mg m” em águas oceânicas claras até 10 mg m” em regiões muito produtiva. A presenças de partículas orgânicas e inorgânicas na água também aumentam o seu coeficiente de absorção. Essas partículas em geral apresentam espectro de absorção 4 Introdução ao Sensoriamento Remoto verde e vermelho, mas inferior àquela do rio. Este padrão permite o levantamento de duas hipóteses: a concentração de sólidos é menor na lagoa (em decorrência da decantação); a lagoa tem alta concentração de matéria orgânica dissolvida. Tais hipóteses só podem ser comprovadas em campo, ou com a análise de imagens hiperespectrais. 4.2 Comportamento espectral dos solos e minerais e rochas O comportamento espectral do solo é afetado por diversos fatores dentre os quais destacam-se: a cor do solo, o tipo do solo (latossolo, litossolo, podzólico), o teor de matéria orgânica nele presente, o teor de ferro, a composição mineralógica do solo (presença ou ausência de minerais escuros), o teor de umidade, e a sua textura (distribuição de tamanho das partículas presentes no solo, ou proporção de argila, silte e areia). O aspecto mais complexo no estudo e compreensão do comportamento espectral do solo, é que em laboratório nós podemos isolar esses componentes, e estudar seu efeito sobre a resposta espectral do solo. Mas na natureza, esses componentes encontram-se inexoravelmente relacionados, as vezes, reforçando o efeito sobre o outro, outras vezes, anulando. Via de regra, entretanto, de modo idealizado, podemos dizer que a reflectância do solo aumenta monotonicamente com o comprimento de onda. Para solos com a mesma composição mineralógica, a tendência é a redução da reflectância com o aumento do tamanho das partículas (Figura 4.10). so e E» S .s 5 [= O 0 Gl DL mana Ss o a U < 0,062 mm pá 0,062 - 2 mm orem >2mm ob 500nm 900nm Comprimento de onda Figura 4.10 Efeito do tamanho da partícula sobre o comportamento espectral dos solos (Adaptado de Szekielda, 1988). O teor de umidade do solo afeta sua reflectância em todos os comprimentos de onda. Quanto maior o teor de umidade, menor é a reflectância do solo em todos os comprimentos de onda. Entretanto, este efeito não é o mesmo para todos os tipos de solo. Estudos realizados por Epiphânio et al. (1992) mostraram que quanto menor o albedo do solo seco, menor é a porcentagem de variação da reflectância com a umidade. A Figura 4.11 mostra o efeito da variação do teor de umidade (% de umidade crescente de a até d) sobre a reflectância de um solo Podzólico Vermelho-Amarelo (PV). No infravermelho médio o Fator de Reflectância chega a cair para menos da metade com o aumento da umidade. 50 Introdução ao Sensoriamento Remoto Solo com 4 Teores de Umidade 68/PV/4 = O A ; A 1H m o L % de Reflectância to o 1 450 950 1450 1950 2450 Comprimento de Onda (nm) Figura 4.11 Efeito da umidade sobre a reflectância de uma amostra de Podzólico Vermelho Amarelo (Fonte: Epiphânio et al., 1992). A Figura 4.12 mostra o Fator de Reflectância de um Latossol Vermelho Escuro também submetido à diferentes teores de umidade (% de umidade crescente entre a e d). Como a reflectância média do Latossolo Vermelho Escuro seco é naturalmente mais baixa do que a do Podzólico Vermelho Amarelo, o efeito da umidade é menor. Ainda assim, para um mesmo solo, uma redução de reflectância em todos os comprimentos de onda pode ser interpretada como um aumento do teor de umidade do solo. Solo com 4 Teores de Umidade 32/LE/4 tn o ) to o 1 Ts, VAN Ara e L % de Reflectância LTD —— 104 eis a 2 | 4 NAN 0 450 950 1450 1950 2450 Comprimento de Onda (nm) Figura 4.13 Comportamento Espectral de um Latossolo Vermelho Escuro submetido a diferentes teores de umidade (Fonte: Epiphanio et al., 1992). A composição mineralógica também afeta o comportamento espectral dos solos como pode ser visto na Figura 4.14. Solos com alto teor de óxido de ferro e composto por minerais opacos apresentam reflectância mais baixa do que solos com baixo teor de óxido de Introdução ao Sensoriamento Remoto ferro. A presença de minerais opacos além de reduzir a reflectância dos solos em todos os comprimentos de onda mascara as bandas de absorção relativas à presença da água e de minerais de argila tais como a caulinita (1400 nm) e a montmorilonita (2200 nm). so 40 30 20 10 Det rir atoa piçaA FATOR DE REFLECTÂNCIA (%) Alto teor de óxido de ferro + minerais opacos o 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 COMPRIMENTO DE ONDA (nm) Figura 4.14 — Efeito do teor de óxido de ferro e de minerais opacos sobre o Fator de Reflectância dos solos. 4.3 Comportamento espectral da vegetação Estudos da cobertura vegetal envolvendo as técnicas de sensoriamento remoto abrangem quatro diferentes níveis de coleta de dados: laboratório, campo, aeronave e orbital. Em laboratório comumente são consideradas as folhas, partes de plantas ou até alguns arranjos de plantas, dos quais são coletados dados radiométricos com o objetivo de caracterizar espectralmente fenômenos e/ou aspectos relacionados ao processo de interação entre a REM e a vegetação. Em campo, os dados podem ser coletados diretamente das folhas ou através de dispositivos como plataformas (móveis ou fixas), teleféricos, etc; que permitem a colocação dos sensores imediatamente acima dos dosséis vegetais segundo as mais diferentes disposições. Na coleta de dados em aeronave, estão incluídas as máquinas fotográficas, os radiômetros e os sensores eletro-Ópticos, assim como no nível orbital. A principal motivação dos estudos em vegetação envolvendo a aplicação das técnicas de sensoriamento remoto, fundamenta-se na compreensão da “aparência” que uma dada cobertura vegetal assume em um determinado produto de sensoriamento remoto, a qual é fruto de um processo complexo que envolve muitos parâmetros e fatores ambientais. Há de se considerar que um dossel é constituído por muitos elementos da própria vegetação, como folhas, galhos, frutos, flores, etc. Um fluxo de radiação incidente sobre qualquer um destes elementos estará sujeito a dois proc: espalhamento e absorção. O processo de espalhamento, por sua vez, pode ser dividido em dois sub-processos: reflexão e transmissão através do elemento. O destino do fluxo radiante incidente sobre um destes elementos é então dependente das características do fluxo (comprimentos de onda, ângulo de incidência e polarização) e das características físico- químicas destes mesmos elementos. De todos os elementos constituintes da vegetação, a folha constitui o principal deles quando se considera o processo de interação descrito. Para uma melhor compreensão das características de reflectância da REM incidente sobre uma folha é necessário o conhecimento de sua composição química, principalmente tipo e quantidade de pigmentos fotossintetizantes, e de Introdução ao Sensoriamento Remoto estrutura foliar por absorção e por espalhamento. A energia é absorvida seletivamente pela clorofila e é convertida em calor ou fluorescência, e também convertida fotoquimicamente em energia estocada na forma de componentes orgânicos através da fotossíntese; b) região do infravermelho próximo: Nesta região existe uma absorção pequena da REM e considerável espalhamento interno na folha. A absorção da água é geralmente baixa nessa região. A reflectância espectral é quase constante nessa região. Gates et al. (1965) determinou que a reflectância espectral de folhas nessa região do espectro eletromagnético é o resultado da interação da energia incidente com a estrutura do mesófilo. Fatores externos à folha, como disponibilidade de água por exemplo, podem causar alterações na relação água-ar no mesófilo, podendo alterar a reflectância de uma folha nesta região. De maneira geral, quanto mais lacunosa for a estrutura interna foliar, maior será o espalhamento interno da radiação incidente, e consequentemente, maior será também a reflectância; c) região do infravermelho médio: A absorção devido à água líquida predomina na reflectância espectral das folhas na região do infravermelho próximo. Considerando a água líquida, esta apresenta na região em torno de 2000 nm, uma reflectância geralmente pequena, sendo menor do que 10% para um ângulo de incidência de 65º e menor do que 5% para um ângulo de incidência de 20º. A água absorve consideravelmente a REM incidente na região espectral compreendida entre 1300 nm a 2000 nm. Em termos mais pontuais, a absorção da água se dá em 1100 nm; 1450 nm; 1950 nm; 2700 nm e 6300 nm. 4.3.1 - Interação da REM com os Dosséis Vegetais Todas as discussões apresentadas até o momento referiram-se ao estudo das propriedades espectrais de folhas isoladas, mas a aplicação das técnicas de sensoriamento remoto no estudo da vegetação, inclui a necessidade de compreender o processo de interação entre a REM e os diversos tipos fisionômicos de dosséis (florestas, culturas agrícolas, formações de porte herbáceo, etc). Uma vez que a folha é o principal elemento da vegetação sob o ponto de vista do processo de interação com a REM, espera-se que muito do que foi exposto referente às características de reflectância das folhas, também seja válido para os dosséis. De fato, quando comparadas as curvas de reflectância de uma folha verde sadia com as medições espectrais de dosséis, apresentam formas muito semelhantes. Essa semelhança permite que os padrões de reflectância apresentados pelos dosséis vegetais em imagens multiespectrais possam ser previstos. Assim, por exemplo, espera-se que em imagens referentes à região do visível os de is apresentem tonalidade escura devido à baixa reflectância da REM, em função da ação dos pigmentos fotossintetizantes; em imagens da região do infravermelho próximo, estes mesmos dosséis deverão apresentar-se com tonalidade clara e em imagens do infravermelho médio espera-se tons de cinza intermediários entre o escuro das imagens do visível e o claro daquelas do infravermelho próximo. A distribuição espacial dos elementos da vegetação, bem como a suas densidades e orientações, definem a arquitetura da vegetação. A distribuição espacial depende de como foram arranjadas as sementes no plantio (no caso de vegetação cultivada), do tipo de vegetação existente e do estágio de desenvolvimento das plantas. Em vários modelos de reflectância da vegetação um dossel é considerado como sendo composto por vários sub-dosséis, arranjados regularmente no solo (plantios em fileiras, por exemplo) ou arranjados aleatoriamente, segundo uma distribuição específica. Para um dossel ou sub-dossel homogêneo, assume-se que a densidade dos elementos da vegetação é uniforme, o que é caracterizado pelo Índice de Área Foliar (LAF), que representa a razão entre a área do elemento e a área no terreno. O IAF é um dos 55 Introdução ao Sensoriamento Remoto principais parâmetros da vegetação e é requerido em modelos de crescimento vegetal e de evapotranspiração; é ainda relacionado à biomassa. Outro parâmetro que define a arquitetura do dossel é a Distribuição Angular Foliar (DAF). É caracterizada por uma função de densidade de distribuição f(ol, yl), onde Bl e yl são a inclinação e o azimute da folha, respectivamente. Por conseguinte f(oI, yl)dol dyl é a fração de área foliar sujeita aos ângulos de inclinação 6! e el+del, e os ângulos azimutais yl e yl+dyl. A DAF varia consideravelmente entre os tipos de vegetação. Os dos: ão normalmente descritos por um dos seguintes seis tipos de distribuições: planófila, erectófila, plagiófila, extremófila, uniforme e esférica. Estes parâmetros arquitetônicos afetam qualitativamente a reflectância da vegetação. Na região do visível, uma vez que muito da energia incidente sobre uma folha é absorvida, com o aumento do número de folhas, isto é, com o aumento do IAF, mais e mais energia será absorvida pela vegetação. Assim que o IAF atingir um determinado valor (aproximadamente compreendido entre 2 e 3), muito da radiação incidente é interceptada e absorvida pelas folhas e um permanente aumento do IAF não influenciará a reflectância da vegetação. Por conseguinte, a reflectância na região do visível decresce quase que exponencialmente com o aumento do IAF até atingir um valor próximo de 0, quando o IAF assume valores entre 2 e 3. Na região do infravermelho próximo, uma vez que a absorção é mínima, o aumento do IAF implica no aumento do espalhamento e no consegiiente aumento da reflectância da vegetação, até que o IAF atinja valores compreendidos entre 6 e 8. Um dos efeitos da DAF sobre a reflectância da vegetação refere-se à sua influência na probabilidade de falhas através do dossel como uma função dos ângulos zenital solar e de visada. A orientação das fileiras de uma cultura agrícola, por exemplo, exerce menos influência na região do infravermelho do que na região do visível devido ao menor efeito das sombras, uma vez que as folhas são praticamente transparentes nesta região espectral. Um outro efeito da arquitetura do dossel sobre sua reflectância ocorre quando os elementos da vegetação não se encontram uniformemente distribuídos. Supondo que ao invés de estarem uniformemente distribuídas no dossel, as folhas estivessem agrupadas, este agrupamento apresentaria dois efeitos principais: ele aumentaria a probabilidade de ocorrência de lacunas através de toda a extensão do dossel, que por sua vez, aumentaria a influência do espalhamento dos elementos deste mesmo dossel, localizados nas camadas mais próximas ao solo. 4.3.2 Particularidades Sobre a Aparência da Vegetação em Imagens Orbitais Pelo exposto, pode-se portanto constatar nas imagens que na região do visível um dossel vegetal apresenta valores de reflectância relativamente baixos devido à ação dos pigmentos fotossintetizantes que absorvem a REM para a realização da fotossíntese, na região do infravermelho próximo que estes valores apresentam-se elevados devido ao espalhamento interno sofrido pela REM em função da dispos! da estrutura morfológica da folha, aliado ainda ao espalhamento múltiplo entre as diferentes camadas de folhas e, finalmente, que no infravermelho médio tem-se uma nova queda destes valores, devido a presença de água no interior da folha. De fato, estes fatores influentes não atuam isoladamente. Em cada uma das regiões espectrais todos os fatores exercem sua influência concomitantemente. Assim, por exemplo, os níveis baixos de reflectância na região do visível, esperados para uma cobertura vegetal, não se devem 56 Introdução ao Sensoriamento Remoto exclusivamente à absorção dos pigmentos existentes nas folhas, mas também às sombras que se projetam entre as folhas, as quais são dependentes da geometria de iluminação, da Distribuição Angular das Folhas (DAF) e da rugosidade do dossel em sua camada superior (topo do dossel). Sobre esses efeitos discorreremos oportunamente. Vale salientar que o que é efetivamente medido pelo sensor colocado em órbita terrestre é a radiância espectral. Como cada sensor de cada banda espetral, na qual tal sensor é apto a coletar a REM refletida pelos objetos possui sua própria sensibilidade, isso implica num “desbalanceamento” entre as radiâncias espectrais medidas. Esse desbalanceamento pode ocasionar diferenças de brilho de um mesmo objeto entre as bandas, ora subestimando-o, ora superestimando-o. Isso pode explicar, por exemplo, que apesar da queda da reflectância espectral verificada na região espectral do infravermelho médio em relação à região do infravermelho próximo não ser muito acentuada, no caso da cobertura vegetal, a tonalidade escura resultante numa imagem do infravermelho médio fregientemente é mais intensa do que aquela verificada em outra imagem do visível. Alia-se a este fato a maior interferência da atmosfera nas imagens do visível em relação àquelas do infravermelho que tende a deixar ligeiramente “mais claros” os dosséis vegetais. Mesmo ciente destas influências, é comum o intérprete de imagens orbitais interessado em extrair informações sobre a cobertura vegetal, procurar associar os padrões apresentados por esta diretamente com suas características estruturais (parâmetros biofísicos). De fato, como foi apresentado nos itens anteriores, essa associação é possível, mas existem algumas particularidades que devem ser consideradas. Por exemplo: é esperado que à medida que uma determinada cobertura vegetal aumenta sua densidade, os valores de reflectância espectral referentes à região do visível apresentem uma diminuição quase exponencial, enquanto que para a região do infravermelho próximo estes apresentam aumento também quase exponencial, até que sejam atingidos seus respectivos pontos de saturação (IAF=2 ou 3 para a região do visível e IAF=6 ou 8, para a região do infravermelho próximo). Dependendo da arquitetura (forma e distribuição espacial dos indivíduos constituintes do dossel) assumida em cada uma das fases de desenvolvimento dessa cobertura vegetal, esse efeito pode ou não ser constatado, podendo ser “mascarado” pelo efeito de outros fatores/parâmetros, principalmente participação do solo e sombreamento entre os próprios elementos da vegetação (folhas, galhos e troncos, principalmente). Assim, em uma imagem do infravermelho próximo, uma floresta perenifólia, bem densa, com um IAF muito elevado, poderá assumir um brilho mais escuro do que um plantio jovem de Eucalyptus spp., que possuiria um IAF bem menos elevado. Em tal floresta, a existência de diferentes estratos (camadas) horizontais, com os indivíduos dominantes projetando suas copas acima de uma cota média do dossel, poderia acarretar o sombreamento daqueles que se posicionariam imediatamente abaixo, o que implicaria na diminuição da irradiância nos estratos inferiores e, consequentemente, na diminuição da radiância medida pelo sensor orbital, o que por sua vez implicaria no “escurecimento” do dossel da floresta em relação ao de Eucalyptus spp, que não possuiria estratos e portanto o sombreamento entre seus elementos constituintes seria bem menor. Evidentemente que esse efeito será tanto maior quanto maior for o ângulo de incidência solar, uma vez que o sombreamento é proporcional a esse ângulo. Para o c: do solo, sua participação também é dependente do ângulo de iluminação e desta vez de maneira inversa, ou seja, quanto maior for o ângulo de incidência, é esperada uma menor participação do solo. Cada dossel, em particular, possui suas características próprias e desenvolve-se em diferentes tipos de solos sob diferentes condições ambientais. Não há como prever todas as 57 Introdução ao Sensoriamento Remoto Orues x Surner numinalis + 289% Nnte Active scan os ares to est ae Field ol vigw = 11567 inssam e etica autos l Fig. 5.3 Coleta de dados da superfície terrestre mediante um sensor imageador. Fonte: Swain e Davis (1978) A Figura 5.4 ilustra o procedimento de elaboração de uma composição colorida. Nesta Figura 5.4, têm-se três imagens de uma mesma porção da superfície terrestre, sendo cada uma referente à uma região espectral fictícia, aqui denominadas canais X, Y e Z. O sensor que gerou estas imagens era capaz de “sentir” a REM refletida pelos diferentes alvos desta superfície em três diferentes níveis de intensidade, aqui denominados alto, médio e baixo. Como consequência, considerando uma só destas imagens, os pixels que a compõe apresentaram três tipos de “brilho”, traduzidos na legenda por símbolos, mas que usualmente são substituídos por ão traduzidos por tons de cinza escuros e os níveis mais tons de cinza. Os níveis mais baixos sã altos, por tons de cinza claros. Fig. 5.4 Procedimento de elaboração de uma composição colorida. Fonte: Novo(1989) Introdução ao Sensoriamento Remoto Imaginando que estas imagens pudessem ser colocadas uma frente à outra e que estas fossem ainda translúcidas. Na frente de cada uma destas imagens fossem colocados ainda os filtros coloridos conforme apresentado na Figura 5.2. Como resultado do “brilho” relativo entre os alvos em cada uma das imagens e do processo de adição de cores, cada um dos pixels apresentaria cores e tonalidades diferenciadas, resultando portanto na chamada composição colorida. Vale salientar que as cores e tonalidades resultantes nada tem à ver com as cores reais dos alvos contidos nas cenas. Qualquer alteração promovida na ordem dos filtros ou imagens, implicaria na alteração total das aparências de cada um dos pixels da imagem. Na forma digital, as imagens são gravadas em um meio magnético que podem ser fitas magnéticas e discos ópticos (CDs). Através de aplicativos especialmente desenvolvidos para este fim, as imagens podem ser manipuladas em computadores através das técnicas de processamento de imagens digitais que podem ser divididas em três grupos: técnicas de pré- processamento, técnicas de realce e técnicas de classificação. Nas técnicas de pré-processamento, procura-se corrigir imperfeições radiométricas oriundas das diferenças de sensibilidade existente entre os diferentes detetores que “sentiram” a REM, assim como imperfeições de ordem geométrica ou espacial, as quais referem- se ao “posicionamento” dos pixels dentro das imagens, de forma a garantir uma aceitável representatividade dos pontos no terreno em relação aos padrões cartográficos estabelecidos. As técnicas de realce têm com objetivo “melhorar” a qualidade visual das imagens através do aumento de contraste entre tons de cinza dos pixels. Existem aqui inúmeros procedimentos já desenvolvidos com essa finalidade, os quais fundamentam-se em critérios determinísticos e/ou estatísticos. Finalmente as técnicas de classificação visam a identificação das chamadas classes ou temas que vão compor um dos principais produtos da extração de informações de produtos de SR que são os mapas temáticos. Essa identificação pode ser efetuada de diversas maneiras, incluindo os algoritmos supervisionados e os não-supervisionados. Nos primeiros, o intérprete ou especialista interessado na elaboração do mapa interage com o algoritmo fornecendo indicações sobre a localização dos temas de seu interesse. O algoritmo segue o processamento identificando todos os pixels que apresentam características semelhantes daquelas apresentadas pelos pixels indicados pelo especialista. Como resultado, são ressaltados e individualizados cada pixel de cada tema ou classe em toda a imagem ou parte desta da qual se pretende extrair a informação (elaborar o mapa). Nos algoritmos não-supervisionados, é fornecido somente o número de classes que se pretende fracionar a imagem e o algoritmo “decide” sobre a natureza de cada pixel segundo critérios estatísticos. 6. IMAGENS COM ALTA RESOLUÇÃO ESPACIAL O satélite IKONOS foi lançado da Base Aérea da Califórnia, nos Estados Unidos, em 24 de setembro de 1999. Trata-se do primeiro satélite especialmente concebido para atender finalidades comerciais, sendo que suas imagens recém começaram a ser distribuídas. A câmera colocada a bordo deste satélite permite gerar simultaneamente imagens com resolução de 1 metro em seu modo pancromático e outras com resolução de 4 metros no modo multiespectral. O satélite encontra-se a 680 km de altitude e se move a 7 km por segundo. A comercialização dessas imagens será feita pela empresa CARTERRA, localizada em Denver, Colorado (EUA) (http:/Avww.spaceimage.com). 61 Introdução ao Sensoriamento Remoto As imagens de alta resolução como as geradas pelo satélite IKONOS II são consegiiência direta da liberação tecnológica promovida em 1994 pelo Governo Americano. Anteriormente, essa tecnologia somente estava disponível para satélites de fins militares. Com o sucesso do satélite IKONOS II, lançado no final de Setembro/99, as imagens de alta resolução já são uma grata realidade e estão revolucionando o mercado de dados orbitais. Antes, nenhum outro satélite comercial conseguiu atingir esse nível de detalhe espacial. Dentre as principais características técnicas das novas imagens e do satélite IKONOS IH destacam-se as seguintes: Data do lançamento do satélite: 24/09/99; Foguete: Athena II; Local de lançamento: Vandenberg Air Force Base, California /USA; Altitude: 681km; Inclinação: 98.1º; Velocidade: 7km/s; Sentido da órbita: Descendente; Duração da órbita: 98 min; Tipo de órbita: Sol-síncrona; Ângulo de visada: Rápida alternância entre diferentes ângulos; Resolução no terreno de cada banda; Pancromática: Im (considerando posição nominal de 26º fora do nadir); Multiespectral: 4m (considerando posição nominal de 26º fora do nadir); Bandas espectrais: 0,45 a 0,90u (pan); Azul 0,45 - 0,52u;Verde 0,52 - 0,60u; Vermelho 0,63 - 0,69u; Infra vermelho próximo 0,76 - 0,90; Faixa de imageamento: 13km no nadir (cena simples 13km x 13km); Tamanho das cenas: Faixas de 1lkm x 100km até 11km x 1000km; Mosaicos de até 12.000km2; Até 20.000km2 de área continua imageada em uma única passagem; Acurácia métrica: Horizontal: 12m; Vertical: 10m (correção de sistema, sem pontos de controle cartográficos); Precisão relativa de pelo menos 90% da cena; Horizontal: 2m; Vertical: 3m (com pontos de controle); Precisão relativa em pelo menos 90% da cena; Tempo de Revisita: 2,9 dias (pan); 1,5 dia (multiespectral); Esses valores referem-se a alvos ao longo da latitude de 40º. O tempo de revisita para latitudes maiores será menor, enquanto que para as latitudes próximas ao Equador, o tempo será mais longo. Vantagens e Benefícios: A maior resolução espacial possível entre as imagens orbitais atualmente disponível no mercado; possibilidade de combinação de imagens preto e branco (gray scale) com dados multiespectrais para a geração de imagens coloridas com Im de resolução; grande quantidade de informação disponível; facilidade para interpretação visual; algorítmos específicos, como os encontrados no Expert Classifier, disponível na versão 8.4 do aplicativo Erdas ImagineO, já são capazes de executar a interpretação digital dessas imagens e automatizar o processo de extração de informação; radiometria de 11 bits (2048 níveis de cinza) aumenta o poder de contraste e de discrimin: das imagens; produto para quem necessita grande resolução espacial (identificar feições ricas em detalhes) mas não requer grande precisão cartográfica. A precisão cartográfica é obtida através da ortocorreção e/ou retificaçã imagens; Bandas espectrais no visível são mais largas (quando comparadas com Landsat 5 e 7), permitem uma maior penetração na atmosfera e maior poder de discriminação dos alvos Introdução ao Sensoriamento Remoto ESPECTROMETROS Ae B GRAVADOR DE FITA - ESPECTROMETROS dee [ih ELETRONICA NÇ SS BORDO ELA CONTROLADOR DE repetir! sistTEMA ÓPTICO / SISTEMA DE VARREDURA Figura 7.2 — Configuração do Sistema AVIRIS 8. INTERPRETAÇÃO VISUAL DE IMAGENS: UMA ABORDAGEM METODOLÓGICA O principal objetivo da interpretação visual de imagens é a elaboração dos chamados “mapas temáticos”, que são compostos por polígonos cujos atributos relacionam-se com algum assunto específico, assim como solos, vegetação, recursos hídricos, cobertura e uso da terra, etc. Esses polígonos são distribuídos sobre o mapa segundo sistemas de projeção cartográficos variados e seus contornos são definidos mediante aquilo que se designa de interpretação visual de imagens, que podem ser fotográficas (quando oriundas de material fotográfico) ou pictóricas (quando originadas de imagens compostas por pixels). Antes de iniciar qualquer tarefa de interpretação visual de imagens, devem ser claramente conhecidos os objetivos que o mapa elaborado deverá atender. Implícita nesses objetivos encontra-se a definição de uma legenda que deve ser compatível com o tipo de produto de sensoriamento remoto que será utilizado, bem como com a escala de trabalho. Considerando a utilização de imagens orbitais multiespectrais, as escalas mais frequentemente empregadas são aquelas referentes às cartas topográficas disponibilizadas pela Fundação Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE) e pela Divisão do Serviço Geográfico (DSG) que incluem escalas de 1:50.000, 1: 100.000, 1:250.000, 1:500.000 e 1:1000.000. Destas, as escalas mais comumente empregadas são 1:50.000, 1:100.000 e 1:250.000 devido a serem s mais confortáveis ao intérprete e a permitirem a elaboração de legendas mais compatíveis com as necessidades dos usuários dos mapas. A definição da legenda então deve ser cuidadosamente estudada, procurando sempre estabelecer temas coerentes com o assunto a ser representado no mapa. Assim, se o mapa temático incluirá tipos diferentes de solos, estes devem ser identificados segundo um mesmo critério, ou seja, se o objetivo for representar cartograficamente diferentes solos segundo sua mineralogia, as classes (ou temas) listados na legenda deverão expressar diferenças mineralógicas e jamais algum tipo de solo segundo, por exemplo, sua estrutura. Para o caso do mapeamento da cobertura vegetal, são comuns egiívocos nos quais uma floresta ombrófila (tema específico de um mapa fisionômico-ecológico), por exemplo, é diferenciada de um plantio de Eucalyptus spp. (tema específico de cobertura e uso da terra). Uma vez definidos a legenda, o produto e a escala de trabalho, segue-se a definição da metodologia a ser empregada na elaboração do mapa. No início do emprego das imagens orbitais com o objetivo de gerar mapas temáticos no Brasil e durante quase duas décadas (décadas de 70 e início dos anos 90), a metodologia empregada fundamentava-se na utilização de 65 Introdução ao Sensoriamento Remoto imagens analógicas (materializadas em material fotográfico) disponibilizadas na escala definida de mapeamento e materializadas nas chamadas imagens preto e branco ou em composições coloridas, conforme já descrito no ítem 5 (Elaboração de imagens da superfície terrestre), dependendo da natureza (assunto explorado) do mapa temático, da separabilidade visual dos objetos a serem mapeados proporcionada pelo produto (imagem) selecionado em função das propriedades espectrais desses objetos e finalmente, da experiência da equipe de profissionais incumbida de elaborar o mapa. Definida a forma de apresentação destas imagens analógicas, seguia-se a preparação dos costumeiramente denominados “overlays”, que continham feições do terreno que permitiam a superposição destes com seus homólogos existentes nas imagens. Esses “overlays” eram constituídos por uma papel polyester, ligeiramente transparente e suficientemente estável no que se refere a variações de suas dimensões físicas. Sobre esse papel, eram desenhadas, mediante o uso de cartas topográficas da área de interesse, as feições como drenagem, principais estradas e outros elementos da toponímia considerados estáveis ao longo do tempo. Os avam então a constituirem uma espécie de cópia resumida das cartas topográficas que eram então superpostas às imagens por um intérprete experimentado que cuidadosamente procurava “encaixar” as feições copiadas no “overlay” com as respectivas feições contidas nas imagens. Considerando que qualquer ponto imaginário sobre uma carta topográfica tem coordenadas geográficas conhecidas por tratar-se de um produto georreferenciado e que o mesmo não acontece em uma imagem analógica, ao se procurar sobrepor as feições de ambos os produtos (“overlay” e imagem), o “encaixe” não ocorre ao longo de toda a extensão do “overlay”, acontecendo portanto em setores específicos, o que implicava no contínuo deslocamento do “overlay” sobre a imagem durante o trabalho de interpretação. Como consegiiência, a localização dos polígonos delimitados durante a interpretação era sempre duvidosa, pois era dependente da habilidade e do treinamento do intérprete. Uma alternativa interessante para minimizar a subjetividade dessa superposição consistia na eleição dos chamados “pontos de controle” constituídos basicamente por cruzamentos de estradas, bifurcações da drenagem ou pontos igualmente bem definidos tanto na carta topográfica, quanto na imagem. Esses pontos eram assinalados no “overlay” e a interpretação se dava sem a preocupação de sobrepor feições homólogas. Posteriormente, ao final da interpretação, o conteúdo temático contido no “overlay” era digitalizado através de programas computacionais originando uma primeira versão eletrônica do mapa temático e através de um algoritmo específico, essa versão eletrônica era modificada geometricamente conferindo-lhe o georreferenciamento de seu conteúdo temático. A Figura 8.1 ilustra um esquema da superposição do “overlay” sobre a imagem e a primeira versão do mapa antes da digitalização. Dependendo da extensão da superfície terrestre a ser mapeada e da natureza do mapa temático a ser elaborado, os trabalhos de interpretação visual de imagens incluem diferentes procedimentos com o objetivo de garantir o máximo de confiabilidade. Para o caso de mapeamentos de áreas pequenas (uma bacia hidrográfica, uma fazenda agrícola, etc), um único intérprete responsabiliza-se pela tarefa, sendo que nesse caso, é esperada uma certa uniformidade na definição dos polígonos, uma vez que os critérios são subjetivos e estes estariam sendo aplicados fundamentalmente sempre da mesma forma. Quando áreas muito extensas são mapeadas (todo um Estado da federação, vários Estados, toda uma região do país, etc), é fregiente a composição de equipes que se responsabilizam pelas diversas etapas do trabalho. Vários intérpretes são utilizados, o que implicará na adoção de critérios ligeiramente diferentes na interpretação, originando desuniformidade na definição dos polígonos, dependendo do grau de capacitação, treinamento e habilidade dos intérpretes. Nesse caso é interessante a figura do homogenizador que deve ser um profissional com bastante experiência em interpretação visual de imagens e que vai interegir intimamente com os intérpretes, procurando uniformizar ao 66 Introdução ao Sensoriamento Remoto máximo os critérios pessoais de cada um deles, revisando todos os “overlays” frequentemente e procedendo as correções que julgar necessárias. a Figura 8.1 Representação esquemática da superposição de um “overlay” sobre uma imagem (a) e da primeira versão do mapa temático resultante (b). Fonte: Relatório Projeto Prodes (http://www .inpe.br) Atualmente, com a disponibilização de plataformas computacionais e de aplicativos específicos para o processamento de imagens e para a manipulação de dados georreferenciados (Sistemas de Informação Geográfica), a interpretação visual vem sendo cada vez mais elaborada diretamente na tela de computadores, dispensando a utilização dos “overlays” e de sua posterior digitalização. As cartas topográficas estão também sendo disponibilizadas no formato digital e quando não se dispõe desse material dessa forma, as imagens são georreferenciadas mediante a utilização das cartas em papel e de mesas digitalizadoras que permitem a “comunicação” entre o mapa e os produtos em formato digital. A interpretação dá-se portanto, sobre as imagens já georreferenciadas o que origina mapas temáticos quase que imediatamente à medida que se dá a interpretação. Mesmo assim, as mesmas considerações já apresentadas sobre a homogenização das interpretações feitas sobre as imagens analógicas devem ser viabilizadas quando do mapeamento de extensas áreas. Independentemente do procedimento a ser adotado, a interpretação visual propriamente dita consiste na inspeção visual das imagens procurando identificar e delimitar toda a extensão dos ítens da legenda, o que vai originar os polígonos sobre os quais tem-se mencionado anteriormente. A identificação é feita segundo o conhecimento do comportamento espectral desses ítens e dos consegiientes padrões de cor, tonalidade, textura, tamanho, forma, contexto e sombra que estes assumem nas imagens. 67
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