NOÇÕES BÁSICAS DE SENSORIAMENTO REMOTO

NOÇÕES BÁSICAS DE SENSORIAMENTO REMOTO

1. Conceitos básicos

2. Breve histórico

3. Radiação Eletromagnética

4. Interações da REM com alvos

5. Satélites e sensores

6. Imagem digital

7. Exercício

Sumário

Conjunto de atividades cujo objetivo é a caracterização de algumas propriedades de alvos, através da detecção, registro e análise do fluxo de energia radiante, por eles refletido ou emitido (Lillesand; Kiefer, 1987).

É a utilização de sensores para aquisição de informações sobre objetos ou fenômenos sem que haja contato direto entre eles (Rosa, 1995).

Método que utiliza a radiação eletromagnética (REM) como meio de detectar e medir algumas características dos alvos (objetos) de interesse (Wolf; Dewitt, 2000).

1. Conceitos Básicos

Satélites, câmaras, telescópios e até nossos olhos são

ferramentas utilizadas para

analisar objetos à distância.

1. Conceitos Básicos

• A origem do SR vincula-se ao surgimento da fotografia aérea;

• Assim, a história pode ser divida em dois períodos: – 1860-1960– 1960- aos dias atuais

O SR é fruto de um esforço multidisciplinar que integra os avanços na Matemática, Física, Química, Biologia, Computação, entre outras.

2. Breve Histórico

• As fotografias foram os primeiros produtos do SR

• 1859: Descoberta processo fotográfico

• Pouco depois câmaras começaram a ser montadas em balões de ar quente.

• Tal técnica foi usada durante a Guerra Civil dos EUA (1862) para reconhecimento do território.

2. Breve Histórico

• 1890: Foguetes foram lançados para obter fotos aéreas, mas com baixa resolução;

• 1909: Inicia-se a foto tomada por aviões e na I Guerra Mundial seu uso intensificou-se;

• II Guerra Mundial: houve grande desenvolvimento do SR, nesse período:– Filme infravermelho para

detectar clamuflagem;– Novos sensores, como

radar;

2. Breve Histórico

Filme colorido

Filme infravermelho

Lillesand e Kiefer (1987)

• Guerra Fria: foram desenvolvidos sensores de alta resolução;

• 1960: foram obtidas as primeiras fotos tiradas de satélite tripulados;

• 1960: Lançamento do primeiro satélite meterológico – TIROS;

• 1972: Lançamento do ERTS-1 – primeiro satélite de recursos terrestre. Mais tarde denominado de LANDSAT – 1;

2. Breve Histórico

• 1973: Brasil recebeu as primeiras imagens do LANDSAT;

• 1988: Início do Programa CBERS

• 1999: Lançamento do satélite IKONOS marca o início de uma nova geração de satélites com resolução espacial muito alta.

• 2003 e 2007: Lançamento do CBERS 2 e CBERS 2B, respectivamente.

2. Breve Histórico

É a combinação da energia elétrica e magnética Se propaga no vácuo. Variam com a frequência e com o comprimento de onda.

3. Energia Eletromagnética

FrequênciaNúmero de ciclos por unidade de tempo, medida normalmente em Hertz

Onda Eletromagnética

ComprimentoDistância entre dois quaisquer equivalentes da onda.

3. Energia Eletromagnética

Varia de Nanômetros (nm) a Kilômetros (km)

Comprimento de Onda Eletromagnética

Nanômetro (nm)Equivale à 1 bilionésimo do metro

1 nm = 1 = 0,000 000 001 m1 000 000 000 m

Micrômetro (µm)Equivale à 1 milionésimo do metro

1 µm = 1 = 0,000 001 m

1 000 000 m

3. Energia Eletromagnética

Espectro EletromagnéticoConjunto de regiões com características peculiares em função dos processos físicos geradores e detectores da energia eletromagnética.

3. Energia Eletromagnética

Elementos do Sensoriamento Remoto

3. Energia Eletromagnética

Janelas AtmosféricasRegiões do espectro magnético onde a radiação de determinados comprimentos de onda é pouco absorvida ou atenuada pela atmosfera.

3. Energia Eletromagnética

A REM que atinge a superfície terrestre pode ser:– Refletida;– Absorvida;– Transmitida;

Ei() = Energia incidente

ER() = Energia Refletida

ET() = Energia TransmitidaEA() = Energia Absorvida

Ei() = ER() + EA() + ET()

Interação básica da energia eletromagnética com uma feição da superfície terrestre.(Fonte: Lillesand e Keifer, 1995)

4. Interações da REM com os alvos

Medidas de energia

RadiânciaQuantidade de energia que atinge uma superfície

IrradiânciaQuatidade de energia que reflete de uma superfície

ReflectânciaRazão entre irradiância e radiância

4. Interações da REM com os alvos

Assinatura Espectral

Os alvos da superfície terrestre como a vegetação, a água e o solo refletem, absorvem e transmitem radiação eletromagnética em diferentes proporções;

Esse comportamento espectral dos diversos alvos é denominado assinatura espectral e é utilizado em SR para distingui-los entre si.

Assinaturas espectrais são curvas que mostram a reflectância de cada alvo em diferentes comprimentos de onda

4. Interações da REM com os alvos

Assinatura da VegetaçãoReflectância até 50%Dependem das propriedades das folhas (estrutura celular, pigmentação, espessura, quantidade de água)

4. Interações da REM com os alvos

Assinaturas do Solo expostoReflectância até 30 a 40%Dependem da mistura de solos, quant. de ferro, etc.Valores baixos nas bandas de absorção de água

4. Interações da REM com os alvos

Assinaturas da ÁguaReflectância até 10%Menor reflectância que a vegetação e os solosÁgua turva ou suja apresenta maior reflectância

4. Interações da REM com os alvos

5. Satélites e sensores

Equipamentos capazes de coletar energia proveniente do objeto, convertê-la em sinal passível de ser registrado e apresentá-lo em forma adequada à extração de informações.

Sistemas Sensores

Orbitais

Satélites

Quanto ao nível de coleta de dados

Sub-orbitais

Balões

Aeronaves

Terrestres

Espectro-radiômetros

Máquinas fotográficas

5. Satélites e sensores

Passivos

Utiliza-se de fonte de radiação externa. Exemplos: Sol ou outras radiações.

Quanto à fonte de radiação utilizada

Ativos

Fonte de radiação própria.

Ex.: Flash de máquina fotográfica e Radar.

5. Satélites e sensores

Não-VarreduraRegistram a radiação refletida de uma cena em sua totalidade e em um mesmo instante.Ex.: Máquinas Fotográficas.

VerreduraA imagem da cena é formada pela aquisição seqüencial de imagens elementares do terreno.Ex.: Sensores orbitais.

5. Satélites e sensores

Processos de varredura

5. Satélites e sensores

Espelho Matriz de detetores

Sensores Não-Imageadores

Espectro-radiômetro

Laboratório Campo

5. Satélites e sensores

LIDAR - Ligth Detection and Ranging

Sensor ativo não-imageador que mede distâncias (altitude) dos elementos da superfície por varredura a laser transversal à linha de vôo do sensor;

Permite gerar como produtos: MDE, MDT e MDS

A distância é medida pelo tempo entre o sinal emitido e o retorno de cada pulso laser.

A precisão depende da densidade de pontos medidos

5. Satélites e sensores

Levantamento com LIDAR

5. Satélites e sensores

MDE gerado com LIDAR

5. Satélites e sensores

Sensores Imageadores

Olho humano

Em câmaras fotográficas

CCD (Charge-Coupled Device)

Dispositivo eletrônico composto de milhares de pequenas células (detetores) sensíveis à radiação

A bordo de satélites artificiais

Convencionais: usam filmesDigitais: usam chip CCD

5. Satélites e sensores

Satélites artificiais de Sensoriamento Remoto

LANDSAT

SPOT

CBERS

QUICKBIRD

IKONOS

5. Satélites e sensores

LANDSAT (Land Remote Sensing Satellite)Responsável: NASA (National Aeronautics and Space Administration)

5. Satélites e sensores

LandSat 1, 2 e 3: Projetos experimentais RBV/MSSLandSat 4 e 5: MSS/TM, LanSat 7: ETM+LDCM – LansSat Data Continuity Mission: Sensor Termal

Características gerais dos satélites LANDSAT

Satélite LANDSAT 1 LANDSAT 2 LANDSAT 3 LANDSAT 4 LANDSAT 5 LANDSAT 6 LANDSAT 7

Lançamento 27/7/1972 22/1/1975 5/3/1978 16/7/1982 1/3/1984 5/10/1993 15/4/1999

Situação Atual Inativo (06/01/1978) Inativo (25/02/1982) Inativo (31/03/1983) Inativo (1993) em atividade Inativo (05/10/1993) Inativo (2003)

Órbita Polar, Circular e heliossíncrona

Polar, Circular e heliossíncrona

Polar, Circular e heliossíncrona

Polar, Circular e heliossíncrona

Polar, Circular e heliossíncrona

s.d. Polar, Circular e heliossíncrona

Altitude 917 km 917 km 917 km 705 km 705 km s.d. 705 km

Inclinação 99º 99º 99º 98,20º 98,20º s.d. 98,3º

Tempo de Duração da Órbita

103,27 min 103,27 min 103,27 min 98,20 min 98,20 min s.d. 98,9 min

Horário de Passagem

9:15 A.M. 9:15 A.M. 9:15 A.M. 9:45 A.M. 9:45 A.M. s.d. 10:00 A.M.

Período de Revisita 18 dias 18 dias 18 dias 16 dias 16 dias s.d. 16 dias

Instrumentos Sensores

RBV e MSS RBV e MSS RBV e MSS MSS e TM MSS e TM ETM ETM+

5. Satélites e sensores

SPOT (Sistéme Probatoire de L’observation de la Terre)

SPOT 1, 2 e 3

SPOT 5

SPOT 4

5. Satélites e sensores

Características Gerais dos satélites SPOT

5. Satélites e sensores

Sensor HRS(High Resolution Stereoscopic)

Abordo do SPOT 5

Capacidade de adquirir 2 imagens de uma mesma cena: uma adquirida com 20 graus de inclinação para frente e outra 1 minuto e meio depois com mesma inclinação para trás.

Permite gerar imagens 3D

5. Satélites e sensores

Sensores acoplados em satélites artificiais

Características Gerais

Massa 1.450 kg

Potência do painel solar 1.100 watts

Dimensões do painel solar 6,3 x 2,6m

Dimensões do corpo 2,0m x 8,3m x 3,3m (em orbita)

Tempo de vida 2 anos (confiabilidade de 0,6)

Características Orbitais

Altitude média 778 km

Inclinação 98,5 graus com o equador

Revoluções por dia 14 + 9/26

Período  100,26 minutos

Cruzamento do equador 10h 30min

CBERS-2 (China-Brazil Earth Resource Satellite)

5. Satélites e sensores

Montagem do CBERS 2 (Brasil)

LIT - Laboratório de Integração e Testes do INPE

Lançamento do CBERS 2: 21 de Outubro de 2003 (China)

Seqüência de Lançamento

Satélites Não-GeoestacionáriosCaracterísticas das órbitas

Acompanham o movimento de translação da Terra

Órbita PolarTransversal ao sentido de rotação da Terra

Imageiam faixas não sequenciais

Órbita LandSat:Leva cerca de 100 minutos, enquanto se desloca 3 mil Km ao longo do equador

5. Satélites e sensores

Estação de Recepção e Gravação de Dados de Cuiabá

Iniciou sua operação em maio de 1973 e grava continuamente dados do País e de quase toda América do Sul.

Foi a terceira no mundo a ser instalada para receber os sinais do satélite LANDSAT

Os sinais são recebidos através de antenas parabólicas de 10 e 12 metros de diâmetro.

5. Satélites e sensores

Estação Processamento Dados de Cachoeira Paulista (SP)

Divisão de Geração de Imagens – DGIDestinada a processar os dados de satélites de sensoriamento remoto

Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos – CEPTEC Realiza atividades operacionais e de pesquisa

5. Satélites e sensores

CBERS-2B

Lançado em 19 de setembro de 2007.

Possui três sensores a bordo: CCD, WFI e HRC.

HRC substitui a câmera IRMSS do CBERS-2

5. Satélites e sensores

Pixel (Picture Element)Corresponde a uma área mínima, geograficamente identificada, e para a qual são registrados níveis de cinza.

Nível de CinzaÈ um valor inteiro, não-negativo e finito relacionados à intensidade de energia refletida em faixas (bandas) bem definidas do espectro eletromagnético.

6. Imagem digital

Imagem DigitalÈ uma matriz onde cada célula representa um pixel.

Exemplo de uma imagem digital.

6. Imagem digital

ResoluçãoÉ uma medida da habilidade que um sistema sensor possui de distinguir alvos ou fenômenos na superfície terrestre

EspacialEspectralRadiométricaTemporal

6. Imagem digital

Resolução EspacialSensibilidade em distinguir alvos em função da separação angular ou linear entre os mesmos.

ExemploUm sensor com resolução de 20 metros implica que objetos distanciados entre si a menos que 20 metros, em geral não serão discriminados pelo sistema.

6. Imagem digital

Resolução espectralSensibilidade do sensor em distinguir alvos que diferem entre si por refletir diferentes quantidades de energia eletromagnética

ExemploUm sensor que opera em 7 bandas espectrais em maior capacidade de distinguir alvos do que um que opera em apenas 4 bandas.

6. Imagem digital

É o intervalo entre dois comprimentos de onda, no espectro eletromagnético.

Banda Espectral

Cada elemento na terra e a água refletem variadas quantidades de energia em comprimento de ondas particulares.

Dois elementos que não são distinguíveis em uma banda podem apresentarem muito diferentes em outra banda.

6. Imagem digital

Bandas Espectrais

Figueiredo (2005)

6. Imagem digital

Banda 1 Banda 2 Banda 3 Banda 4

Banda 5 Banda 6 Banda 7 Banda 8

Sensor TM do satélite LandSat: bandas e aplicações

Mapeamento hidrotermal 2.08 - 2.357

Mapeamento de estresse térmico em plantas Outros mapeamentos térmicos

10.4 - 12.56

Medidas de umidade da vegetaçãoDiferenciação entre nuvens e neve

1.55 - 1.755

Levantamento de biomassa Delineamento de corpos d'água

0.76 - 0.904

Absorção de clorofilaDiferenciação de espécies vegetais

0.63 - 0.693

Reflectância de vegetação verde sadia 0.52 - 0.602

Mapeamento de águas costeiras Diferenciação entre solo e vegetação Diferenciação entre vegetação coníferas e decídua

0.45 - 0.521

Principais aplicaçõesFaixa Espectral (um) Banda

Imagem digital

Estudo de áreas urbanas0.51 - 0.73Pan

Levantamento de fitomassaDelineamento de corpos d'água

0.79 - 0.893

Absorção da clorofilaDiferenciação de espécies vegetaisDiferenciação de solo e vegetação

0.61 - 0.682

Reflectância de vegetação verde sadiaMapeamento de águas

0.50 - 0.591

Principais aplicaçõesFaixa Espectral (um) Banda

Sensor HRV do satélite SPOT: bandas e aplicações

6. Imagem digital

Sensores dos satélites SPOT 1, 2, 3, 4 e 5

6. Imagem digital

Mapeamento noturno e diurno de nuvens.Medição da superfície do mar, lagos e rios.Detecção de erupção vulcânica.Umidade do solo, atributos metereológicos das nuvens.Temperatura da superfície do mar e umidade do solo.

10.30 - 11.30 (4)11.50 - 12.50 (5)

4 e 5

Mapeamento noturno e diurno de nuvensAnálise da temperatura (C) da superfície do marDetecção de pontos quentes (incêndios).

3.55 - 3.933

Delineamento da superfície da águaDefinição de condições de fusão de neve e geloAvaliação da vegetação e monitoramento metereológico

(nuvens).

0.725 - 1.12

Mapeamento diurno de nuvem, gelo e neve.Definição de feições de solo e cobertura vegetal.

0.58 - 0.681

Principais aplicaçõesFaixa Espectral (um) Banda

Sensor AVHRR do satélite NOAA: bandas e aplicações

6. Imagem digital

Bandas TM e Assinatura Espectral

6. Imagem digital

Resolução radiométricaÈ a sensibilidade do sistema sensor em distinguir níveis de cinza NC = 2 ^ bit

1 bit (2 NC) 8 bits (256 NC)

6. Imagem digital

Varia em função da largura da faixa de imageamento do sensor

Resolução TemporalEsta associada ao intervalo de tempo que um sensor leva para imagear novamente um mesmo ponto.

6. Imagem digital

Resolução TM HRV AVHRR

Temporal 16 dias 26 dias 2 vezes ao dia

Espacial30 m120 m (Banda6)

20 m (Banda1 a 3)10 m (Pan)

1.1 Km (nominal)

Radiométrica 8 bits8 bits (1-3) 6 bits (Pan)

10 bits

Espectral

Banda 1: 0.45-0.5Banda 2: 0.52-0.60Banda 3: 0.63-0.69Banda 4: 0.76-0.90Banda 5: 1.55-1.75Banda 6: 10.74-12.5Banda 7: 2.08-2.35

Banda 1: 0.50-0.59Banda 2: 0.61-0.68Banda 3: 0.79-0.89Pan: 0.51-0.73

Banda 1: 0.58-0.68Banda 2: 0.725-1.1Banda 3: 3.55-3.93Banda 4: 10.30-11.30Banda 5: 11.50-12.50

Características de resolução dos sistemas sensores a bordo dos satélites Landsat, SPOT e NOAA.

6. Imagem digital

Características CCD IR-MSS WFI

Res. Temporal 26 dias 26 dias 3 a 5 dias

Res. Espacial 20 m 80 m (pan e 4) 260 m

Faixa Imageada 113 km 120 Km 890 Km

Res. Espectral

Banda 1: 0.45-0.52Banda 2: 0.52-0.59Banda 3: 0.63-0.69Banda 4: 0.77-0.89Pan: 0.51-0.73

Banda 1: 0.50-1.10Banda 2: 1.55-1.75Banda 3: 2.08-2.35Pan: 10.40-12.50

Banda 1: 0.63-0.69Banda 2: 0.76-0.90

Características de resolução dos sistemas sensores a bordo dos satélites CBERS.

6. Imagem digital