Análise Comparativa Da Aplicação de Transformações Radiométricas e Técnicas de Fusão

7/26/2019 Anlise Comparativa Da Aplicao de Transformaes Radiomtricas e Tcnicas de Fuso

1/8

Anlise comparativa da aplicao de transformaes radiomtricas e tcnicas de fusode imagens em rea urbana

Marcus Andre FucknerViviane Gomes Cardoso Rosa

Roberta Rosemback

Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais - INPE

Caixa Postal 515 - 12201-970 - So Jos dos Campos - SP, Brasil

{marcus, vivian, roberta}@dsr.inpe.br

Abstract. This paper is about radiometric corrections of CCD/CBERS-2 images of Campinas metropolitanregion, So Paulo State, your influence on image classification and your fusion with LISS-IV/IRS-P6 data.The fusion techniques tested were: IHS, Principal Components and Transformada Wavelet. The results obtained

with the CCD data fusion were compared to fusion involved a TM/Landsat-5 image of the same area. For theurban area classification, the best results were obtained with the surface reflectance data in relationship to digitallevels and at-sensor reflectance data. For the data fusion, the best results were obtained with the IHS techniqueapplication.

Palavras-chave: data fusion, CBERS, IRS, digital imagery processing, urban studies, fuso de imagens,CBERS, IRS, processamento digital de imagens, estudos urbanos.

1. Introduo

A paisagem urbana composta por um vasto nmero de elementos e materiais definindo tal

paisagem como sendo radiometricamente heterognea e complexa (Small, 2005). Estas

caractersticas tornam o uso de imagens de alta resoluo espacial imprescindvel para estudos

intra-urbanos. Por outro lado, embora apresentem resoluo espacial mdia, imagensCCD/CBERS-2 podem ser utilizadas para estudos em mesoescala, como o mapeamento da

expanso urbana, sobretudo em grandes aglomeraes, aproveitando-se do acesso gratuito s

imagens e menor custo computacional para processamento das mesmas.

Este trabalho tem como objetivo testar a influncia de transformaes radiomtricas sobre

a classificao de imagens CCD bem como tcnicas de fuso de imagens CCD com uma

imagem do sensor LISS-IV acoplado na plataforma IRS-P6.

Na atualidade, so utilizados diversos mtodos para a aplicao de transformaes

radiomtricas e fuso de imagens de sensoriamento remoto. A partir das transformaes,

espera-se obter dados que representem grandezas fsicas. A anlise da influncia de

transformaes radiomtricas (caso especfico da reflectncia aparente e de superfcie) sobre a

classificao de imagens uma rea recente de pesquisa.A fuso de imagens de sensoriamento remoto efetuada tanto com diferentes bandas de

um mesmo sensor quanto com bandas de diferentes sensores, sejam eles pticos ou que

operem em microondas. Um exemplo de fuso de imagens voltada a estudos urbanos pode ser

encontrada no trabalho de Terrettaz (1998). Este autor efetuou uma comparao entre

mtodos de fuso de imagens multiespectrais e pancromticas SPOT, avaliando os seus

resultados sobre rea urbana.

No Brasil, podem ser citadas como referncias os trabalhos de Leonardi et al. (2005) e

Telles Jnior e Rosa (2005). Leonardi et al. (2005) compararam trs mtodos de fuso: IHS,

Componentes Principais e Transformada Wavelet utilizando dados dos satlites CBERS,

SPOT, Landsat e Quickbird. Seus resultados apontaram o mtodo da fuso por Componentes

Principais como tendo apresentado o melhor resultado para a rea em estudo. Telles Jnior e

Rosa (2005) enfocaram a fuso pela Transformada Wavelet e aplicaram seus estudos com

imagens SPOT e CBERS.

6343

Anais XIII Simpsio Brasileiro de Sensoriamento Remoto, Florianpolis, Brasil, 21-26 abril 2007, INPE, p. 6343-6350.

43

artigoanterior


2/8

A rea escolhida para o desenvolvimento desta pesquisa foi o Municpio de Campinas,

devido disponibilidade de dados. Localizado na poro centro-leste do Estado de So Paulo,

a aproximadamente 100 quilmetros da capital, Campinas a maior cidade do interior de So

Paulo, e caracterizada por uma forte industrializao, intensificada a partir da dcada de1970. Alm deste, a proximidade com a capital e a estrutura remanescente da economia

cafeeira so fatores que respaldam o intenso crescimento urbano do municpio, que no ano

2000 teve uma populao total registrada de 907.997 habitantes (IPEA, 2002).

Processos tpicos das regies metropolitanas brasileiras ocorrem em Campinas, como a

formao de favelas e cortios e a forte expanso urbana, intensificando-se o processo de

verticalizao no ncleo central bem como a conurbao com cidades vizinhas ( figura 1).

Figura 1: Localizao do municpio de Campinas.

2. Material e Mtodos

A primeira etapa do trabalho compreendeu a seleo das imagens (tabela 1) e o pr-processamento. Os softwareutilizados para o processamento digital das imagens nas diversas

etapas foram o SPRING 4.2, ENVI 4.1 e ERDAS Imagine 8.5, alm de aplicativos

desenvolvidos para transformaes e fuses. Na Figura 2 apresentado o fluxogramametodolgico do trabalho.

Na etapa de pr-processamento as duas cenas CCD foram mosaicadas. Em seguida, as

imagens CCD e TM foram recortadas e registradas em relao a imagem IRS-P6, recortada

inicialmente. Na imagem CCD foi aplicado um filtro de restaurao e na imagem IRS umaumento linear de contraste.

Tabela 1: Caractersticas das imagens utilizadasSatlite(Sensor)

ResoluoEspacial

BandasFaixa

imageadaResoluotemporal

Cena(rbita/Ponto)

Data deaquisio

IRS-P6

(LISS-IV)5,8m

Monocromtica

0,62 - 0,68m (vermelho)70 km 5 dias

331/9411/02/05

CBERS-2

(CCD)20m

Multiespectrais0,45 0,52 m (azul)

0,52 - 0,59 m (verde)0,63 - 0,69 m (vermelho)

0,77 - 0,89 m (IVP)

113 km 26 dias 155/125 e155/126

17/02/05

LANDSAT-5

(TM)30m

Multiespectrais0,52 - 0,60 m (verde)

0,63 - 0,69 m (vermelho)0,76 - 0,90 m (IVP)

185 km 16 dias 219/76 19/03/05

BRASIL

SO PAULO

6344



3/8

Figura 2:Fluxograma metodolgico.

Alm da restaurao, a imagem CCD original foi convertida para valores de reflectncia

aparente e reflectncia de superfcie. Estas transformaes efetuaram-se atravs do aplicativo

SCORADIS (Machado et al., 2003), desenvolvido pelo Centro de Estudos Meteorolgicos e

Climticos Aplicados Agricultura da Universidade Estadual de Campinas (CEPAGRI/

UNICAMP) para aplicar o modelo 5S (Simulation du Signal Satellitaire dans le Spectre

Solaire) de correo atmosfrica. O modelo inclui como parmetros de entrada a data deaquisio da imagem, longitude e latitude, modelo de aerossis (continental, martimo,

urbano, particular, sem aerossis), modelo atmosfrico (vero, inverno, tropical, sem absoro

gasosa) e visibilidade, apresentando versatilidade conforme a realidade da cena.As imagens em nvel digital originais, em reflectncia aparente e de superfcie foram

submetidas segmentao segundo o mtodo de crescimento de regies e, posteriormente,

classificadas pelo mtodo no-supervisionado ISOSEG, para avaliar os impactos das

transformaes radiomtricas. A etapa seguinte compreendeu a execuo de transformadas

nas imagens originais que precederam as fuses.

A fuso por IHS foi executada a partir de uma transformao das composies coloridas

falsa-cor R3G4B2 e R4G3B2 (dados de entrada), resultando em trs bandas: I (Intensity)

Intensidade, H (Hue) Matiz e S (Saturation) Saturao. Na transformao IHS inversa foi

substituda a componente I pela banda monocromtica LISS-IV e inseridas as componentes H

e S (semou com offsetde 50 nveis de cinza na componente S).

A fuso tambm foi efetuada a partir da Transformao por Componentes Principais,comumente empregada para a reduo da dimensionalidade dos dados. Para a fuso, a

primeira componente foi substituda pela imagem monocromtica, que apresenta como

caracterstica intrnseca uma maior varincia, refletindo na quantidade de informao.

O terceiro mtodo de fuso empregado foi a Transformada Wavelet,atravs do aplicativo

Wavefusion, desenvolvido por Ventura (2002). O mtodo Wavelet efetua inicialmente uma

uniformizao da imagem pancromtica em relao s imagens multiespectrais. Em seguida,

o algoritmo efetua a transformao da imagem em cpias de diferentes resolues,

armazenando separadamente os detalhes da imagem por meio de informaes horizontais,

diagonais e verticais.

Os produtos das diferentes tcnicas de fuso empregadas foram avaliados visualmente,

quanto manuteno das cores originais da composio multiespectral. O resultado da fusopelo mtodo IHS tambm foi comparado com a fuso considerando as bandas multiespectrais

2, 3 e 4 do sensor TM/Landsat-5.

Imagem Cbers-CCDImagem IRS-P6

Original Restaurada

Recorte

Re i st ro

Mosaico

Restaura o

ReflectnciaAparente

TCPs

Se m enta o

Classifica o

Com osi oRGB

Transformada

Wavelet

ReflectnciadeSuperfcie

Imagem Landsat-TM

FusoIHSFusoWavelet

Imagens Hbridas

Fuso CPs

TransformadaIHS

6345



4/8

3. Resultados e Discusso

3.1 Pr-Processamento

Para a restaurao das bandas originais CCD foram testados diversos valores de EIFOV,tendo a avaliao dos resultados sido feita visualmente. Os melhores resultados foram

encontrados com 40 em X e 34 em Y, coeficientes que foram adotados para todas as bandas.

Os resultados da restaurao em uma viso geral da imagem so apresentados na Figura 3.

Figura 3: Visualizao da imagem CCD restaurada (R4G3B2). No detalhe, imagem original.

Visivelmente no foi observado rudo e, por essa razo, acredita-se que a quantidade de

informao apresentada seja maior, em virtude do aumento proporcional na varincia

das imagens, considerando todas as bandas, como mostra a Tabela 2.

Tabela 2:Varincia das bandas originais e transformadas do sensor CCD/CBERS-2Banda CCD/CBERS Original Restaurada1 ReflectnciaAparente

Reflectncia deSuperfcie2

Banda 1 966,86 1047,97 18,33 32,02Banda 2 370,69 414,68 26,18 42,92Banda 3 162,48 175,92 42,43 64,09Banda 4 594,87 649,10 96,39 136,95

1 As bandas originais foram restauradas atravs do mtodo do Filtro Inverso Modificado.2A correo atmosfrica das imagens foi efetuada segundo o mtodo 5S.

3.2 Transformaes Radiomtricas

As imagens CCD em reflectncia aparente e reflectncia de superfcie so apresentadas na

Figura 4. Os parmetros utilizados no modelo 5S foram: modelo tropical de atmosfera,modelo continental de aerossis e 20 km de visibilidade.

Figura 4: Imagem CCD original (ND) e imagens transformadas para reflectncia aparente(Ra) e reflectncia de superfcie (Rs). Composio colorida R3G4B2sem contraste.

As imagens transformadas e a imagem original foram segmentadas considerando os

valores de 8 e 10 nveis de cinza para a similaridade e de 30 e 50 pixels para a rea, a partir

das bandas 2, 3 e 4 dos sensor CCD. Os diferentes limiares foram aplicados a fim de avaliar

ND Ra Rs

6346



5/8

visualmente o valor mais adequado cena. A Figura 5apresenta o resultado da segmentaocom os diferentes limiares para um recorte da imagem CCD. O limiar escolhido para a

segmentao foi de 10 nveis de cinza de similaridade e 30 pixels como rea mnima de

aceitao. Apesar de visualmente as segmentaes das imagens de reflectncia aparente e desuperfcie apresentarem melhor separabilidade dos alvos, o procedimento de classificao foi

realizado tambm para a imagem em nvel digital original.

Figura 5:Testes de Segmentao da imagem CCD com diferentes limiares.

Partindo da segmentao considerando o limiar 10 x 50, as imagens foram classificadas

sem a escolha de reas de treinamento pelo ISOSEG, considerando um limiar de aceitao de

90% (figura 6). O limiar 10 x 50 foi escolhido por apresentar, no espao intra-urbano, amelhor separao de reas mais densamente ocupadas em relao s demais.

O resultado da classificao utilizando como base a imagem que sofreu correo

atmosfrica apresentou melhor desempenho. Pode-se observar que, neste caso, a rea urbana

(aparece na figura em verde) foi diferenciada das reas de vegetao (em vermelho). Almdisso, foi diferenciada a rea de ocupao urbana mais densa, correspondente poro

central do municpio de Campinas (em preto).

ND Segmentao 8 X 30 ND Segmentao 10 X 50 ND Segmentao 10 X 30

Ra Segmentao 8 X 30 Ra Segmentao 10 X 50 Rs Segmentao 10 X 30

Rs Segmentao 8 X 30 Rs Segmentao 10 X 50 Rs Segmentao 10 X 30

6347



6/8

Figura 6:Classificao no-supervisionada das imagens CCD/CBERS.

3.3 Fuso de imagens

A fuso de imagens CCD e LISS-IV foi efetuada segundo trs mtodos de transformao:

IHS, Wavelete Componentes Principais. Os resultados da fuso pelo mtodo de ComponentesPrincipais so apresentados na Figura 7,considerando a fuso com a substituio da primeiracomponente pela imagem monocromtica.

Figura 7: Imagem hbrida (detalhe) para a imagens original (ND) e restaurada (REST).

A fuso pela Transformada Wavelet atravs do aplicativo Wavefusiongerou trs imagensque, em falsa-cor, podem ser visualizadas, para um recorte da imagem, na Figura 8.Comparando com a fuso por Componentes Principais, observa-se que a Wavelet preservou

melhor a informao de cores e os atributos espaciais, possivelmente como conseqncia da

filtragem realizada na imagem ao ser transformada.

Figura 8:Fuso atravs da Transformada Wavelet (detalhe).

A fuso por IHS foi aplicada tanto s imagens CCD quanto s imagens TM. A Figura 9apresenta as imagens originais realadas por contraste e a imagem monocromtica.

Figura 9: Imagens IRS, CBERS e LANDSAT utilizadas para a fuso de imagens.

CCD R3G4B2 com contraste TM R3G4B2 contrasteIRS original IRS com contraste

ND REST

R3G4B2 R4G3B2

Imagem Original R3G4B2 Classificao ISOSEG 90% Classificao ISOSEG 90% Classificao ISOSEG 90%Nvel Digital Reflectncia Aparente Reflectncia de Superfcie

6348



7/8

Os resultados obtidos com a aplicao do mtodo de fuso IHS podem ser visualizados na

Figura 10. Visualmente, o mtodo IHS foi o que apresentou os melhores resultados na fuso.Embora os intervalos espectrais das bandas utilizadas (2, 3 e 4) sejam praticamente os

mesmos, a representao das cores dos alvos no espao RGB foi diferente para o TM emrelao ao CCD. A aplicao de um offsetde 50 nveis de cinza na componente S Saturao

inserida na transformao inversa no tornou as imagens mais ntidas, como era esperado.

Figura 10: Resultados da fuso pelo mtodo IHS para as imagens CCD e TM com e semaplicao de offset na componente Saturao.

3.3.1 Avaliao dos Resultados

Os aspectos mais importantes a serem avaliados nos resultados de uma fuso de imagens,

conforme apontam Leonardi et al. (2005), so a qualidade espectral e a qualidade espacial daimagem hbrida. Um mtodo de fuso eficiente seria aquele capaz de preservar a informao

de cores das imagens originais multiespectrais (qualidade espectral) e os detalhes espaciais da

imagem pancromtica, no produto hbrido gerado a partir da fuso. As autoras (op. cit.) citam

como formas de avaliao medidas estatsticas, imagem diferena e o IQI (Image Quality

Index), desenvolvido por Wang e Bovik (2002).

Por sua vez, Telles Jnior e Rosa (2005) consideram que uma imagem com erros de

registro pode levar ao surgimento de falsas cores e feies artificiais aps a fuso. Alm

disso, importante considerar que a fuso pelo mtodo IHS apresenta bons resultados quanto

representao de cores somente quando a imagem pancromtica apresenta um intervalo

espectral que engloba o intervalo das trs bandas multiespectrais de entrada.

Embora visualmente os melhores resultados com a fuso de imagens tenham sido obtidoscom o mtodo IHS, no houve boa representao de cores porque a imagem utilizada no

pancromtica, e sim, monocromtica, tendo como intervalo espectral somente a faixa do

vermelho, de 0,62 a 0,68 m. Embora o satlite IRS-P6, tambm conhecido como

Resourcesat-1, seja um aprimoramento do satlite IRS-1D, o qual dispunha de uma banda

pancromtica com intervalo espectral de 0,5 a 0,75 m e 6 m de resoluo espacial, ele no

possui uma banda pancromtica. Conforme NRSA (2003), o IRS-P6 possui trs sensores a

bordo: oLinear Imaging and Self Scanning Sensor(LISS-III), oAdvanced Wide Field Sensor

(AWiFS) e o LISS-IV. A LISS-IV uma cmara multiespectral de alta resoluo espacial,

chegando a 5,8 m no nadir, e possui dois modos de aquisio. No multiespectral, os dados so

adquiridos em trs faixas espectrais: 0,52 0,59 m, 0,62 0,68 m e 0,76 0,86 m. No

monocromtico, apenas uma banda opera (no caso, a vermelha), obtendo imagens de uma

faixa de 70 km, com a mesma resoluo espacial do modo multiespectral, que imageia apenas

CCD R3G4B2 (offset 50) TM R3G4B2 (offset 50) CCD R3G3B2 (offset 50) TM R4G3B2 (offset 50)

CCD R3G4B2 (sem offset) TM R3G4B2 (sem offset) CCD R4G3B2 (sem offset) TM R4G3B2 (sem offset)

6349



8/8

23 km. Por essa razo, as imagens monocromticas deste sensor no esto entre as mais

adequadas para a realizao de processamentos digitais que envolvam a fuso de imagens.

4. ConclusesA aplicao das transformaes radiomtricas sobre imagens CCD, em especial a correo

atmosfrica, facilitou a classificao, considerando o mtodo no-supervisionado ISOSEG.

Embora tenha sido reduzida a varincia das bandas aps a converso para reflectncia e

correo atmosfrica, em virtude da forte heterogeneidade espectral das reas urbanas

conclui-se que uma varincia elevada no ideal para a classificao na rea em questo.

Os mtodos de fuso de imagens aplicados mostraram resultados distintos quanto

qualidade visual das imagens hbridas. Considerando as tcnicas de Componentes Principais,

Transformada Wavelet e IHS, os melhores resultados foram obtidos com o mtodo IHS,

embora a qualidade espectral tenha sido reduzida em funo do no recobrimento do intervalo

espectral das imagens CCD e TM pela banda pancromtica utilizada que, na verdade, umaimagem monocromtica da faixa do vermelho.

Finalizando, este trabalho permitiu estender a possibilidade de aplicao dos dados CCD

em estudos urbanos, consolidando sua utilidade nas pesquisas desenvolvidas no campo do

sensoriamento remoto. Alm disso, testou mtodos de fuso de forma pioneira com uma

imagem de um sistema sensor ainda pouco conhecido no Brasil, o indiano LISS-IV.

5. Agradecimentos

Agradecemos contribuio dos pesquisadores do INPE Madalena N. Pereira por ceder a

imagem LISS-IV/IRS-P6 para a fuso; Flvio J. Ponzoni, pelo apoio na execuo das

transformaes radiomtricas e Slvia S. Leonardi, na aplicao da Transformada Wavelet.

Agradecemos tambm a OBT/INPE pelo acesso gratuito s imagens CCD/CBERS-2.

6. Referncias Bibliogrficas

IPEA. Instituto de Pesquisa Econmica Aplicada. Gesto do uso do solo e disfunes do crescimento urbano:instrumentos de planejamento e gesto urbana: So Paulo e Campinas .Braslia: IPEA, 2002. 224 p.

Leonardi, S. S.; Ortiz, J. O.; Fonseca, L. M. G. Comparao de tcnicas de fuso de imagens para diferentes

sensores orbitais. In: Simpsio Brasileiro de Sensoriamento Remoto, XII, 2005, Goinia. Anais...So Jos dosCampos: INPE, 2005, p. 4111-4113.

Machado, H. M.; Lamparelli, R. A. C.; Rocha, J. V.; Zullo Jnior, J. Estudo da variao de parmetros

atmosfricos necessrios para correo atmosfrica de imagens de satlite. In: Simpsio Brasileiro deSensoriamento Remoto, XI, 2003, Belo Horizonte. Anais... So Jos dos Campos: INPE, 2003, p. 2537-2539.

NRSA. National Remote Sensing Agency. Resourcesat-1 IRS-P6 Data Users Handbook.Hyderabad: NRSA,2003. 142p.

Small, C. A Global analysis of urban reflectance. International Journal of Remote Sensing, v. 26, n. 4, p. 661-681. 2005.

Telles Jnior, M. A. B. G.; Rosa, A. N. C. S. Fuso de imagens SPOT-5 e CBERS-2 utilizando transformadawavelet. In: Simpsio Brasileiro de Sensoriamento Remoto, XII, 2005, Goinia. Anais...So Jos dos Campos:INPE, 2005, p. 4335-4342.

Terrettaz, P. Comparison of different methods to merge SPOT T and XS data: evaluation in an urban area.Future trends in remote sensing. Rotterdam, Holanda, 1998. p. 435-443.

Ventura, F. N. Fuso de imagens de sensores remotos utilizando transformada wavelet. Dissertao(Mestrado em Computao Aplicada). So Jos dos Campos: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, 2002.

Wang, Z.; Bovik, A.C. A universal image quality index. IEEE Signal Processing Letters,v. 9, n. 3, p. 81-84,2002.

6350


Documents

Análise Comparativa Da Aplicação de Transformações Radiométricas e Técnicas de Fusão