Detecção Remota Sensores de microondas (imagens de radar)

Detecção Remota

Sensores de microondas (imagens de radar)

• Imagens obtidas através da captação de radiação de cdo entre 1 mm e 1 m são designadas por imagens de radar (RAdio Detection And Ranging).

• Nessa gama de c.d.o. tanto a radiação proveniente do sol e reflectida pela superfície como a radiação emitida pela superfície são reduzidas.

• Por isso, os sistemas de radar são usualmente sistemas activos: o próprio sensor é a fonte de radiação.

Sistema de radar activo

• O transmissor envia na direcção da superfície impulsos sucessivos de microondas com um certo c.d.o. e uma certa duração.

• A antena do sensor capta informação sobre o tempo de resposta (↔ distância) e a intensidade do sinal reflectido pela superfície.

Geometria de aquisição de imagens

O transmissor de microondas gera curtos impulsos de radiação, que incide sobre a superficie numa direcção oblíqua ao plano terrestre.

Gamas de c.d.o. para aquisição de imagens radar

[Jen00]

Resolução de alcanceA resolução de alcance é medida na direcção normal ao movimento da plataforma.

É proporcional à duração do impulso e inversamente proporcional a cos γ, em que γ é o ângulo de depressão.

Por um lado, o impulso deve ser curto para a resolução ser melhor, mas por outro lado um impulso curto demais não contém energia suficiente.

Exemplo: a resolução de alcance depende do ângulo de depressão

[Jen00, Fig 9-10]

Resolução azimutalA resolução azimutal é medida na direcção do movimento da plataforma.

A resolução azimutal (para um radar de abertura real) é proporcional ao alcance do objecto no terreno (d) e ao comprimento de onda do impulso, e é inversamente proporcional ao comprimento da antena.

[FF04]

Radar de abertura sintetizada (SAR)

• Dado que a largura do feixe de radar é inversamente proporcional ao tamanho da antena, é necessário uma antena de grande comprimento para obter imagens com boa resolução azimutal. Os radares empregues em detecção remota de imagens são radares de abertura sintetizada (SAR) em que um maior comprimento da antena é simulado através do movimento da plataforma e do modo de registo do sinal recebido.

• Para estes sensores, a resolução azimutal é independente do alcance do objecto.

Geometria de aquisição de imagens: RADARSAT-2

[RADARSAT, 2005]

Distorções nas imagens radar

• Distorções de escala (de alcance), devidas à geometria de aquisição das imagens

[FF04]

Aqui, as distâncias no terreno A e B são iguais mas as distâncias medidas a partir da imagem são diferentes: A’ é menor do que B’.

Distorção de alcance: exemplo

Imagem original

Imagem corrigida

[FF04]

Distorções nas imagens radar• Encurtamento (foreshortening): quando o feixe de

radar é perpendicular ao declive

[Jen00, Fig 9-12]

Distorções nas imagens radar

• Cavalgamento (layover): quando o feixe de radar atinge o topo de um alvo antes de atingir a base

[Jen00, Fig 9-12b]

Distorções nas imagens radar

• Ensombramento: quando o feixe de radar não ilumina a superfície do solo

[Jen00, Fig 9-12]

Encurtamento e ensombramento: exemplo

[Jen00, Fig 9-13]

Encurtamento e ensombramento: exemplo

Ângulo de depressão: 67º Ângulo de depressão: 51º

[Jen00, Fig 9-13]

Polarização do sinal

• Os impulsos de energia electromagnética vibram em todas as direcções. Em detecção remota por radar, filtram-se os impulsos para que a vibração seja feita num único plano;

• Para aumentar o conteúdo de informação dos sinais de radar, vários modos de polarização podem ser considerados na emissão e recepção do sinal;

• A polarização pode ser vertical ou horizontal, havendo portanto quatro modos HH, VV, HV, VH.

Imagens polarizadas: exemplos

Fonte: RADARSAT, 2005

Informação captada pelo sinal

• Características da superfície detectadas pelo sinal de radar:– Rugosidade da superfície;– Condutividade eléctrica (relacionada em

particular com o teor de humidade)• Com base no tempo de resposta também

pode ser calculada a distância ao objecto.

• Algumas propriedades da superfície que afectam o sinal de radar:– Rugosidade

• Em geral, se a rugosidade da superficie for inferior ao cdo, a superfície aparenta ser plana (escura) na imagem de radar.

– Condutividade e teor de humidade– Características da vegetação

• teor de humidade, tipo de vegetação, biomassa, estrutura das copas

– Zonas de água e água no solo– Características geométricas de áreas urbanas

A radiação é reflectida de modo distinto segundo a rugosidade da superfície

[FF04]

• O sinal reflectido pela superfície depende, em particular, da combinação dos seguintes factores– Rugosidade– C.d.o.– Ângulo de depressão– Orientação (relativa à direcção do movimento do

sensor) dos objectos: por exemplo, o sinal de zona urbana com uma estrutura regular depende muito da orientação dos arruamentos

• O sinal de copas de árvores depende muito do c.d.o. A reflexão das copas tem duas componentes: reflexão de superfície e reflexão de volume. Quando maior o c.d.o. do feixe do radar, maior é a penetração nas copas e maior é o efeito de volume.

[jen00, Fig 9-23]

Efeito da precipitação e da estrutura da vegetação: o sinal captado depende do c.d.o.e da polarização

[Precipitação]

Floresta tropical intacta

c.d.o.

Rondónia, Amazónia

[Jen00, Fig 9-24]

Estrutura de camadas inferiores do solo

Interferometria radar (InSAR)

Aquisição de informação da mesma zona de terreno com geometrias diferentes para produção de modelos digitais do terreno.

[Jen00, Fig 9-28]

Exemplo de DTM

Os erros altimétricos podem ser inferiores a 1 metro se se dispuser de um DTM aproximativo da região: com erros até 30 m

[Jen00]

Exemplo. A Shuttle Radar Topography Mission (2000) produziu um DTM para 80% da superfície terrestre com resolução espacial de 30 m. A precisão altimétrica é de 16 m (com 90% de confiança).

Algumas vantagens das imagens de radar

– Devido ao elevado c.d.o., a interaccção da radiação com as nuvens ou precipitação é reduzida ou mesmo anulada (maiores cdo)

– A informação fornecida por imagens de radar é distinta da informação obtida na gamas de cdo do visível, infravermelho e térmicoInformation. Enquanto a reflectância no visível e infravermelho está relacionada com as propriedades moleculares dos objectos, as imagens de radar dependem de características macroscópicas da superfície: rugosidade e volume (por exemplo, das copas)

– Imagens de radar têm boa resolução espacial, são obtidas para quaisquer condições meteorológicas, de dia ou de noite, e independentemente das condições de iluminação.

– Essas caraterísticas fazem com que as imagens de radar sejam de grande utilidade para a monitorização da superfície em áreas com grande nebulosidade como as regiões temperadas e as regiões equatoriais.

Áreas de aplicações de imagens radar

• Altimetria e topografia;• Agriculture: monitorização de culturas,

estimativas de produção;• Controlo de tráfego marítino e de poluição

marítima (exemplo: Prestige);• Aplicações militares: reconhecimento, vigilância• Produção de cartas temáticas: geológicas, uso

do solo;• Cartografia de zonas húmidas; • Gelos nos oceanos: detecção de icebergs,

monitorização das superficies geladas

Alguns programas de imagens radar

• ERS SAR: ERS-1 (1991); ERS-2 (1995)• JERS SAR: JERS-1 (1992); • RADARSAT: RADARSAT-1 (1995);

RADARSAT-2 (2006)• Shuttle Imaging radar (SIR): 1981, 1984

(SIR-A e SIR-B); SIR-C: primeiro sensor espacial de multifrequência e multipolarização