A Gerao de Modelos Digitais de Elevao pela Estereoscopia de Radar:Conhecimento Atual e Resultados com Imagens RADARSAT-1 na Amaznia

WALDIR RENATO PARADELLA1

IZABEL CRISTINA FRANCHITTO CECARELLI 2

CLEBER GONZALES DE OLIVEIRA2

SILVIA LUIZ2

MARIA CAROLINA DE MORAIS1

CARLA PEREIRA COTTINI2

1INPE - Instituto Nacional de Pesquisas EspaciaisAv. dos Astronautas, 1758 - CEP 1227-010- So Jos dos Campos - SP, Brasil

{waldir, morais@ltid.inpe.br}

2Geoambiente Sensoriamento Remoto S/C LtdaAv. Anchieta, 117-CEP 12242-280- So Jos dos Campos -SP, Brasil

{izabel, silvia, cleber, carla@geoambiente.com.br}

Abstract This paper presents an update of the state-of-the-art of DEM extraction basedon RADARSAT-1 data and addresses the DEM generation with Standard and Fineimages over the Carajs Province (Amazon Region) based on the OESE (PCI) software.The achieved results demonstrate the potential to generate DEMs for the moist tropicsusing the information provided by RADARSAT-1. Further efforts have to be made toimprove the elevation accuracy through the use of differential GPS in the field.

Keywords: DEM generation, RADARSAT-1 stereo data, Brazilian Amazon Region

1.IntroduoMuito pases na Amrica Latina, sia e frica Equatorial apresentam como caractersticas acobertura de nuvens quase perene e baixa taxa de informao sobre recursos naturais. O uso desensores remotos uma opo na obteno de informaes destes ambientes, porm comlimitaes no espectro ptico, devido s condies atmosfricas desfavorveis, que impedemimageamentos sistemticos e influenciam na radiometria das imagens. Na Amaznia, a presenade fumaa contribui para restringir ainda mais a disponibilidade de dados pticos.

Modernamente, o planejamento, a explorao e o monitoramento dos recursos naturais deum territrio, tem como base informaes geogrficas. O substrato para a integrao deinformaes geogrficas a carta topogrfica. Na Amaznia, a disponibilidade de cartas emescalas de detalhe, baixa, e as existentes, carecem de atualizao. Por outro lado, o advento doRADARSAT-1 possibilitou a estereoscopia em condies atmosfricas adversas, e permite aextrao de modelos digitais de elevao (DEMs), um componente fundamental na cartografia.Neste contexto, este trabalho apresenta uma reviso do conhecimento sobre a gerao de DEMspela estereoscopia de radar e resultados com imagens Standard e Fine na Serra dos Carajs. Ainvestigao parte de um projeto de capacitao da Geoambiente SR no uso da tecnologiaRadar em aplicaes geoambientais, atravs de cooperao com INPE e fundos do Programa deInovao Tecnolgica em Pequena Empresa (PIPE) da FAPESP (Projeto PIPE # 1999/06271-7).

Banon Gerald J. Francis1333INPE INPEAnais X SBSR, Foz do Iguau, 21-26 abril 2001, INPE, p. 1333-1340, Sesso PosterINPE INPE< >goto-/dpi.inpe.br/lise/2001/09.20.17.56goto-/dpi.inpe.br/lise/2001/12.28.15.53goto-/dpi.inpe.br/lise/2001/09.20.17.51.55

2.FundamentaoUm radar de abertura sinttica ou SAR (Synthetic Aperture Radar) um dispositivo imageadorem rdio-freqncia, que fornece uma imagem bidimensional (range, azimute) da realidadetridimensional pela deteco da radiao retroespalhada quando o sensor ilumina a superfcie,sob um campo bem definido de microondas ativas. Um SAR mede propriedades eltrico-geomtricas do terreno, opera independentemente do Sol, tem geometria de iluminaocontrolada, penetra nuvens, brumas, fumaas e at chuvas (dependendo da freqncia usada), eproduz imagens com resoluo espacial comparvel alta resoluo dos sensores pticos.

Um DEM uma representao digital de uma seo da superfcie, atravs de uma matriz depixels com coordenadas planimtricas (x,y) e valor de intensidade do pixel correspondendo elevao. DEMs so uma das mais importantes fontes de dados em anlises geo-espaciais egerao de orto-imagens. Quatro mtodos, que apresentam vantagens e desvantagens, so usadosna gerao de DEMs com radares: clinometria, estereoscopia, interferometria e polarimetria(Toutin & Gray 2000). Imagens interferomtricas orbitais foram adquiridas do planeta emfevereiro de 2000 pela misso SRTM da NASA, mas apenas DEMs regionais com 90 metros deresoluo espacial ("level-1 data sets") compatveis com a escala de 1: 250.000 estarodisponveis para a comunidade internacional. Desta forma, pela versatilidade do RADARSAT-1, com imageamentos sob grande variao de incidncia e elevada resoluo espacial, aestereoscopia orbital surge como uma opo de enorme potencial comercial para mapeamentoscartogrficos de detalhe em reas remotas como a Amaznia.

Um DEM gerado de pares estreos do RADARSAT-1 atravs da radargrametria ouestereoscopia de radar (Leberl 1998). Este processo similar ao da fotogrametria convencional,no sentido de que imagens SAR so usadas como imagens pticas ou fotos areas. Com aradargrametria, duas imagens da mesma rea so adquiridas sob diferentes incidnciaspermitindo a estereoscopia. Pontos de mesma posio no terreno so modelados e usados paraderivar a elevao do DEM. Importante salientar que no trpico mido, elevaes obtidas viabanda C-HH representam uma aproximao da elevao real do terreno, funo da interao daenergia das microondas com o dossel da floresta tropical, e no a medida altimtrica efetiva.

Pesquisas sobre o uso da radargrametria na extrao de elevao tm apresentado resultadoscontrovertidos e uma dicotomia entre a teoria de propagao de erros e os resultados prticos,particularmente em reas de topografia elevada (Toutin 1999a). A experincia da fotogrametriaindica que uma boa geometria em estreo obtida quando o ngulo de interseo (diferenaentre as incidncias) das imagens no par estereoscpico o maior possvel. Nesta situaoocorre a maximizao da paralaxe, a qual usada para determinar a elevao do terreno. Poroutro lado, uma tima configurao em radargrametria requer que as duas cenas sejam as maissimilares possveis radiometricamente. Isto implica em pequenos ngulos de interseo para queos retroespalhamento nas imagens sejam os mais prximos possveis. A abordagem com dadospticos modela erros na extrao do DEM atravs de parmetros geomtricos, e negligencia oaspecto radiomtrico das cenas, que a base para o processo de correlao automtica naderivao da elevao na radargrametria. Isto explica porque grandes ngulos de interseo eelevada resoluo espacial de imagens SAR, nem sempre fornecem DEMs com elevada acurcia.Em vrios experimentos, a acurcia em elevao tende inclusive a comportar-se de modo oposto,especialmente para terrenos montanhosos. Somente em casos de relevos planos que a acurciaobtida aproxima-se da expectativa terica ( Leberl et al. 1988, Toutin 1996, Raggam & Almer1996). Em sntese, para qualquer tipo de relevo necessrio um compromisso entre aspectos dedisparidades geomtricas e radiomtricas na escolha de melhor conjunto de estreo-pares na

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gerao de um DEM. Neste sentido, um conhecimento mais slido dos fundamentos em SAR pr-requisito para o processo de gerao do DEM pela radargrametria.

Outro aspecto importante refere-se ao tipo de terreno. Imagens de radar so sensveis svariaes da macro e da microtopografia (mergulho da superfcie e rugosidade superficial emrelao ao comprimento de onda do SAR, respectivamente). Consequentemente, esperado queDEMs radargramtricos sejam anisotrpicos e mais dependentes de descritores do relevo(declividade, aspecto), que DEMs gerados pela fotogrametria. Toutin (1999b) avaliou o impactodestes descritores na acurcia de DEMs do RADARSAT-1 e constatou que a acurcia temgrande correlao com a declividade, mas no tanto com o aspecto. Alm disso, esta correlaodepende da geometria em estreo utilizada. De modo geral, constata-se uma menor acurciapara DEMs de topografias moderadas quando comparados com DEMs de terrenos planos. Emadio, a degradao da acurcia maior para grandes intervalos de incidncia (S1/S7, F1/F5), econsequentemente, maior homogeneidade obtida com geometria mais fraca (S4/S7, F2/F4).

Cabe por ltimo uma discusso sobre valores de acurcia em elevao obtidos de DEMsdo RADARSAT-1. Os resultados dos vrios trabalhos publicados no Simpsio final de avaliaodo RADARSAT-1 (ADRO) de Montreal, em outubro de 1998, dificultam comparaes egeneralizaes, pelas diferentes formas de expresso de acurcia apresentadas (desvio-padro,erro mdio quadrtico, erro linear com porcentagem de confiana, etc.), pelos diferentes mtodosde anlise, de fisiografias e terrenos, e distintas configuraes de pares estreos (Paquerault &Maitre 1998, Sylvander et al. 1998, Dowman & Chen 1998, Raggam & Gutjahr 1998, Toutin1998d). Os trabalhos posteriores so mais abrangentes (Toutin 1999d, 2000), e indicam acurciasde 27 a 46 metros de elevao, expressas em erros lineares com 90% de confiana (LE90), paraterrenos moderadamente acidentados (tabela 1), e em torno de 45 metros para relevosmontanhosos (tabela 2), sob geometrias de estreo-pares prximas s usadas em Carajs.

Tabela 1. Acurcias de DEMs do RADARSAT-1 de relevos planos e moderados

Estreo-par Acurcia (relevo plano) Acurcia (relevo suave) Acurcia (DEM inteiro)

F2-F4 (Desc/mesmo lado) 24 metros 27 metros 33 metros

F5-F1 (Asc/mesmo lado) 12 metros 36 metros 25 metros

S4-S7 (Desc/mesmo lado) 24 metros 46 metros 45 metros

Tabela 2. Acurcias de DEMs do RADARSAT-1 de relevos montanhosos

Estreo-par Acurcia (LE90)

F2-F4 (Asc/mesmo lado) 45 metros

F1-F5 (Desc/mesmo lado) 45 metros

3.Caractersticas Gerais da rea TesteA pesquisa conduzida na Serra de Carajs correspondeu rea coberta pela carta topogrfica SB-22-Z-A-II (Folha Serra dos Carajs) produzida pelo IBGE (1:100.000). A regio caracterizadapor relevo de serras e plats alinhados, com altitudes mximas de 850 metros, constitudo por

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sedimentos e rochas vulcano-sedimentares arqueanas do Grupo Gro Par (Formaes guasClaras, Carajs e Parauapebas). Na parte central da rea, com altitudes de 450 a 500 metros erelevo colinoso, ocorre um batlito grantico proterozico. No entorno da Serra, em plancies dealtitudes de 200 a 300 metros, afloram rochas gnassicas arqueanas (Complexo Xingu). A regio parte da Floresta Nacional de Carajs, com cobertura de Floresta Equatorial Ombrfila.

4.Materiais e MetodologiaDois estreo-pares com imagens Standard descendentes (S5-S7) e Fine ascendentes (F1-F4)

foram utilizadas (tabela 3). As imagens S5, S7 e F4 foram adquiridas em 1996 durante oPrograma ADRO. A imagem F1 foi adquirida com fundos do PIPE. O software usado foi oOrthoEngine Satellite Edition-OESE verso 6.3 (PCI 1999) e as seguintes etapas foram seguidasna gerao dos DEMs: (a) criao do projeto, (b) aquisio de pontos de controle do terreno ou"ground control points" (GCPs), (c) aquisio de pontos de amarrao ou tie-points (TPs), (d)criao de imagens epipolares, (e) extrao automtica do DEM, (f) edio e geocodificao doDEM. A correlao de imagens o processo central do mapeamento automtico naradargrametria. A correlao de imagens substitui a capacidade humana de identificar pontoshomlogos no par. No OESE o algoritmo baseado na correlao de rea normalizada, numclculo que maximiza o coeficiente de correlao (Toutin 2000).

Tabela 3: Caractersticas das imagens RADARSAT-1 usadas na pesquisa.

Imagem Standard 5 Standard 7 Fine 1 Fine 4

rbita-data Desc-31/05/96 Desc-11/09/96 Asc-12/04/2000 Asc.-20/05/96

Incidncia 36-42 0 45-49 0 37-400 43-46 0

Resoluo 24,2 x 27 m 22,09 x 27 m 9,1 x 8,4 m 8,1 x 8,4 m

rea imageada 100 x 100 Km 100 x 100 Km 43 x 43 Km 43 x 43 Km

Pixel 12,5 x 12,5 m 12,5 x 12,5 m 6,25 x 6,25 m 3,125 x 3,225 m

5.Resultados

5.1 DEM S5-S7 com GCPs da Carta TopogrficaInicialmente foram coletados GCPs usando-se a imagem S5 e a carta topogrfica. Os GCPs

foram transferidos para pontos homlogos na imagem S7, coletados os TPs nas duas imagens egeradas imagens epipolares (imagens reamostradas para minimizar erros em range). No processode extrao do DEM foram testadas opes de suavizao e preenchimento de vazios. Como oclculo da correlao automtica na extrao do DEM afetado pelo rudo speckle (Sylvander etal. 1998), foram tambm gerados DEMs a partir das duas imagens originais filtradas (EnhancedFrost) e o melhor resultado indicou uma acurcia de elevao em rms de 60 metros. Aimpossibilidade de se dispor bons GCPs da carta topogrfica, i. ., dispostos homogeneamente narea e englobando extremos mnimos e mximos de elevao, contribuiu para os resultadospobres de acurcia, quando comparados com a literatura.

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5.2. DEM S5-S7 com GCPs da Carta Topogrfica e de Imagens TM-LandsatComo a carta topogrfica foi produzida atravs de recobrimentos da USAF de 1967 e restituiodo IBGE de 1981, a rede de estradas mais recentes ligada aos projetos de minerao de CVRDno estava representada. Esta malha viria todavia, era evidente nas imagens TM-Landsat eRADARSAT. Na busca de melhoria da acurcia de elevao foi investigado o uso de GCPsextrados de duas fontes: carta topogrfica e composio colorida TM-Landsat (4R5G3B)ortorretificada com DEM da carta. Um total de 37 pontos foram inicialmente coletados sendo 20pontos da carta topogrfica e 17 pontos da composio TM-Landsat. De modo geral, os GCPsdo TM foram adquiridos ao longo das estradas Aeroporto de Carajs-Mina de Ferro N4E, Minado Mangans Azul- Mina de Ouro do Bahia e pontos nas margens dos Rios Itacaunas eParauapebas. A partir deste novo conjunto de GCPs foi calculado o ajuste do modelo ("bundleadjustment"). Como seis GCPs apresentavam resduos muito elevados, tais pontos foramdescartados e um total de 31 GCPs e 23 TPs foi usado na extrao final do DEM. A melhoria daacurcia em elevao foi obtida com um rms final de 42,2 metros.

Uma comparao qualitativa entre o DEM da carta topogrfica e o DEM S5-S7 foi feitaatravs da anlise de perfis topogrficos, dispostos segundo mesmas direes (NE-SW e NW-SE) e da distribuio de curvas de contorno. De modo geral, os perfis da radargrametriamodularam melhor o relevo da rea, sem a presena de cumes truncados e vales de fundoschatos, presentes nos perfis da carta topogrfica. J em relao distribuio de curvas decontorno, observou-se que o DEM S5-S7 no foi capaz de representar todos os extremos deelevao da carta topogrfica, devido provavelmente, aos resduos elevados presentes.

5.3. Estreo-par F1-F4 com GCPs da Carta Topogrfica e de Imagens TM-LandsatUm total de 20 GCPs foram coletados das duas fontes de dados, sendo 10 pontos provenientes dacarta topogrfica e 10 pontos extrados da composio colorida TM. O DEM F1-F4 (imagensoriginais com filtragens EFrost ) forneceu uma acurcia em elevao em rms de 62 metros.Embora este valor tenha sido maior que o obtido com o DEM S5-S7, a anlise visual detalhadade outros atributos do DEM F1-F4 (contraste de tonalidade, densidade e distribuio das linhasde contorno) indicou um produto superior, com linhas de contorno de elevao em nmero,densidade e distribuio espacial muito similares s presentes na carta topogrfica. Alm disso, adeteco de feies planimtricas muito superior nas imagens Fine que nas Standard, pelamelhor resoluo espacial. De modo a ilustrar este melhor desempenho, nas figuras 1 e 2 somostrados os trs DEMs e a distribuio de curvas de nvel, para uma mesma rea, extradas dosdois produtos radargramtricos e da carta topogrfica do IBGE.

6.ConclusesAs principais concluses da pesquisa foram: (1) os dois melhores DEMs obtidos (S5-S7, F1-F4)apresentaram acurcias de elevao (rms) piores que as publicados em literatura, paraconfiguraes prxima e outros tipos de ambiente. Todavia, a natureza dos GCPs utilizados napesquisa (com baixa acurcia, distribuio no homognea e no abrangendo locais com cotasmnimas e mximas) contribuiu fundamentalmente para estes resultados; (2) embora o valor emacurcia de elevao do DEM F1/F4 tenha sido maior que o do DEM S5/S7, a anlise visualcomparativa de outros atributos dos DEMs (contraste e detalhes das imagens, densidade edistribuio das linhas de contorno, perfis topogrficos) indicou que o DEM F1-F4 foi superiorao S5-S7. Em adio, as imagens Fine permitiram melhor deteco de feies planimtricas

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(drenagens, estradas, uso da terra, etc.), importante aspecto na confeco de carta topogrfica. Osresultados da investigao, embora preliminares, foram muito animadores e indicam o grandepotencial da tecnologia em atender especificaes tcnicas de mapeamento cartogrfico daAmaznia, em escalas de semi-detalhe ou maiores, com os dados atuais do RADARSAT-1 ecom o advento de dados polarimtricos do RADARSAT-2 e PALSAR-1 (2002/2003). Acontinuidade da pesquisa enfocar a melhoria da acurcia de elevao atravs do uso de novosGCPs obtidos com GPS de preciso no terreno. Esta fase prevista para 2001-2002 ter o apoio daDSG (Diretoria de Servio Geogrfico), rgo do Ministrio da Defesa (Exrcito Brasileiro).

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Figura 1. DEMs S5-S7 (superior), F1-F4 (centro) e Carta Topogrfica (inferior)

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Figura 2. Curvas de nvel de DEMs S5-S7, F1-F4 e Carta Topogrfica.

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