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AUTHORIZATION FOR PUBLICATION ih.--,......_ 0,-- ---- PALAVRAS CHAVES/KEY WORDS k ,---AUTORIZADA POR/AUTHORIZED BY---N,

pg SENSORIAMENTO REMOTO "4----1."-------- ‘..--"--------1' °x ESTUDOS URBANOS Roberto Pereira da Cunha ISS 44 PROCESSAMENTO DE IMAGENS Diretor Sens. Remoto

.., AUTOR RESPONSAVEL % DISTRIBUIÇÃO/DISTRIBUTION REVISADA POR / REVISED BY o RESPONSIBLE AUTHOR

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INPE-4967-PRE/1536

INTEGRAÇÃO DE IMAGEM SPOT MUJIESPECTRAL E AEROFOTO PANCROWTI-CA PARA ESTUDO

DO USO DO SOLO URBANO

Maria de Lourdes Neves de Oliveira Kurkdjian Silvia Shizue

DATA/DATE

Novembro. 1989

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A and1ise da estrutura interna da cidade através de dados de Sen soriamento Remoto requer, pelas dimensões e heterogeneidade dos elementos que -a compõem, que seja utilizado um produto com alto poder de resolução espacial e espectral. As resoluções espacial e espectral dos sistemas sensores orbitais em operação tãm limitado o emprego destes dados em estudos íntra-urbanos. Para lelamente, as técnicas de processamento de imagens tem evoluído para o trata-mento de dados de sistemas sensores de resoluções distintas. Neste trabalho mostrada uma aplicação da transformação IHS para integrar em um produto colori do, dados SPOT-XS e de aerofoto pancromdtica com resolução espacial de 3,5 nj tros. O produto final em escala da ordem de 1:6000 realçou visualmente os cl -J dos originais e permitiu uma andlise melhor das classes de uso do solo na dre"J teste. Isto porque permitiu preservar a melhor resolução espacial da aerofóto e adicionar a ela a resolução espectral da imagem orbital. São apontadas algu mas dificuldades de se trabalhar com produtos de resoluções espaciais tão dif 7J rentes.

i Este trabalho serd apresentado na reunião da SELPER em Bariloche, que acontece ~á' de 20 a 24 de novembro de 1989.

INPE - 149

INTEGRAÇÃO DE IMAGEM SPOT MULTIESPECTRAL E AEROFOTO PANCROMATICA PARA ESTUDO DO USO DO SOLO URBANO

Maria de Lourdes Neves de Oliveira Kurkdjian Sílvia Shizue Ii

Instituto de Pesquisas Espaciais - INPE Caixa Postal 515 - 12201 - São José dos Campos, SP, Brasil

RESUMO

A anã:Use da estrutura interna da cidade através de dados de Sensoriamento Remoto requer, pelas dimensOes e heterogeneidade dos elementos que a compõem, que seja utilizado um produto com alto poder de resolução espacial e espectral. As resoluções espacial e espectral dos sistemas sensores orbitais em operação te'm limitado o emprego des tes dados em estudos intra-urbanos. Paralelamente, as técnicas de pro cessamento de imagens tem evoluído para o tratamento de dados de siste mas sensores de resoluções distintas. Neste trabalho é mostrada uma aplicação da transformação IHS para integrar em um produto colorido, da dos SPOT-XS e de aerofoto pancromãtica com resolução espacial de 3,5 me tros. O produto final em escala da ordem de 1:6000 realçou visualmente os dados originais e permitiu uma análise melhor das classes de uso do solo na área teste. Isto porque permitiu preservar a melhor resolução espacial da aerofoto e adicionar a ela a resolução espectral da imagem orbital. São apontadas algumas dificuldades de se trabalhar com produ tos de resoluções espaciais tão diferentes.

ABSTRACT

To analyse the intra-urban structure with remote sensing data both high espectral and spatial resolutions are needed. The resolutions of products of available orbital data don't have these dharacteristics. This has been a constraint to the application of these data in intra-urban studies. The image processing teChniques are progressing towards the simultaneous manipulation of data from a number of sensors with distinct resolutions. In this work the colour space transformations (IHS transformations) were used to integrate SPOT-XS data and an aerial photography to prepare a coloured image with a spatial resolution of 3,5m. The final product presented at a 1:6,000 scale enriched the visual enhancement of the original data. So it became possible to analyse the urban land use at the test area in a more detailed way. Finally, a description was made on the difficulties to work with products with very different resolutions.

- 02 -

1 - IDENTIFICAÇÃO DO PROBLEMA DE PESQUISA

O mapeamento do uso do solo e um instrumento básico para

o processo de planejamento urbano pois ilustra de forma precisa a dis

tribuição espacial das diferentes atividades que compõem as funções bã

sicas da cidade: habitar, trabalhar, circular e recrear.

Este mapeamento tem sido, a nivel• nacional e internacio

nal, uma das aplicações mais difundidas dos dados de Sensoriamento Remo

to em estudos urbanos.

A composição extremamente complexa do espaço urbano, for

mada por edifícios de apartametos e negOcios, residências unifamiliares,

parques, estacionamentos, sistema viãrio, indústrias, shoppings centers

e outros, ou seja, obras com funções diversas, inclusive com pequenas

dimensões e espaçamento, constituldos por diferentes materiais ou elemen

tos, exige quea tarefa de levantamento mais detalhado do uso do ,olo a

partir de dados de sistemas sensores seja realizada empregando-se pro

dutos que apresentem alta resolução espacial e preferivelmente, também,

alta resolução espectral.

Apenas para se ter uma ideia dos diferentes niveis de de

talhamento com que pode ser realizada a tarefa de levantamento do uso

do solo urbano, mostra-se aqui parte do sistema de classificação do uso

da terra proposto por Anderson at allii (1972). Trata-se de um sistema

multinlvel, hierarquizado dos niveis mais amplos para os mais detalhados.

Neste sistema, a classe Terra Urbana ou Construída (nivel

I) divide-se nas sub-classes: residencial; comercial e serviços; indus

trial; transporte, comunicações e utilidades; complexos industriais e

comerciais; terra urbana ou construida mista(quando os usos individuais

não podem serseparados na escala de mapeamento); terra urbana de usos

diversos(inclui usos como golfe, zoológico, pista de corrida, parques ,

cemitério, aterros de lixo, vazios urbanos, entre outros).

Do mesmo modo, por exemplo, a sub-classe Residencial (n1

vel II) pode dividir-se nas categorias: unidades unifamiliares, unida

- 03 -

des multifamiliares, hotéis residenciais(pensaes), alojamentos transitõ

rios, etc.

Obviamente, maior o nivel de detalhamento com que se pre

tende realizar o mapeamento do uso do solo urbano, mais finas devem ser

as resoluções espectral e espacial do produto de sensoriamento remoto a

ser utilizado no levantamento.

De modo operacional, em muitos palses, o mapeamento deta

lhado do uso do solo urbano baseia-se na interpretação visual de foto

grafias aéreas em grande escala(da ordem de 1:10000 a 1:6000), com reso

lução espacial de 20-30 pares de linha por milimetro e resolução no ter

reno de 0,3 a 3m (Jensen, 1983).

Com relação aos dados orbitais, as resoluções espaciais

dos sistemas sensores em operação não tem sido satisfatOrias para a rea

lização destes mapeamentos pois têm permitido apenas a discriminação de

classes amplas de uso, consideradas apropriadas para levantamentos a nI

vel nacional ou regional.

O espaço urbano, por ser definido a partir da combinação

de detalhes que resultam em uma frequência espacial alta de mudança na

cobertura do solo, exige para o levantamento de seu uso, produtos de sen

soriamento remoto com resolução espectral e espacial finas.

Isto é mais critico onde, como aponta Jensen(1983), as es

truturas urbanas são menores e/ou menos espaçadas. Caso de palses do 39

mundo quando comparados aos Estados Unidos.

Com relação ãs aplicaçãs de Sensoriamento Remoto para es

te propósito, as assinaturas espectrais de diferentes alvos urbanos au

xiliariam sua caracterização em diferentes produtos de diferentes siste

mas. Entretanto, a comunidade carece ainda de curvas estatísticas de re

flectãncia tipicas de uma infinidade de ma teriais empregados na constru

ção do espaço intra-urbano.

Um exemplo de um conjunto destas curvas, disponivel na bi

bliografia, é mostrado na figura 1.1.

- 04 -

50

Gramo

40-

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""..-- Água límpida 1 .-

O , ..1................_____I 1 1

0,4 0,5 0,8 0,7 0,8 0,9

Comprimento de onda ( A ) um

Fig. 1.1 - Curvas de reflectãncia espectral para aspectos urbanos/subur -- banos típicos. Extra:ida de Jensen(1983).

Infelizmente, conforme citação do referido autor, "numero

sos materiais feitos pelo homem tem grosseiramente as mesmas proprieda

des de reflectãncia espectral". Isto, também, dificulta o processo de

levantamento detalhado do uso do solo urbano a partir de dados orbitais

de Sensoriamento Remoto.

Outra dificuldade consiste no fato do ser humano combinar

certos materiais como o concreto, o asfalto, pedras, materiais de telha

do, gramado, etc , de diversas formas no processo de ocupação do solo

com diferentes usos.

Além disso, a reflectãncia dos materiais que revestem o so

lo dentro da região conhecida por um pixel são integradas e produzem um

valor único de reflectãncia para este pixel e, como aponta Jensen(1983),

este valor de reflectãncia nem sempre é relacionado ao uso do solo domi

nante na área por poder ser a resultante da integração semelhante a re

flectãncia de uma cobertura do solo totalmente diferente.

- 05 -

Deste modo, diferentes classes de uso podem ter respostas

espectraisswelhantes, exigindo para a sua identificação que outros ele

mentos da fotointerpretação sejam observados além do comportamento espec

trai dos alvos.

Dai a importãncia, também, da resolução espacial fina nos

estudos de uso do solo urbano detalhados. Esta, além de reduzir a pro

porção de pixels mistos, fornece informações espaciais relevantes -a fo

tointerpretação.

Neste sentido, os sensores remotos orbitais TM/Landsat e

HRV/Spot têm se mostrado mais adequados que o sensor MSS para a realiza

Cao de estudos intra-urbanos. Isto, devido sobretudo ãs melhorias nas

resoluções espaciais e/ou espectrais de seus produtos.

Entretanto a insuficiência, mesmo destes dados, para es

tudos intra-urbanos detalhados é evidente. Demostra-a alguns esforços

realizados por pesquisadores na área no sentido de obter um produto hi

brido, resultante da integração destes com outros produtos de Sensoria

mento Remoto, buscando utilizar simultaneamente as vantagens que cada

um dos componentes apresentam isoladamente.

Neste contexto destacam-se os trabalhos de Chavez(1986) e

de Dutra et ailii(1988), pela proximidade corno presente estudo.

O trabalho de Chavez foi realizado tendo como objetivo

principal "extrair informação espectral do TM/Landsat e combini-la com

a informação espacial de um conjunto de dados com resolução espacial mui

to melhor". A informação espacial foi extraida de uma fotografia pancro

mítica na escala original 1:80.000, digitalizada com aproximadamente 4m

de resolução.

m'étodo empregado para combinar estes dados de diferentes

sensores envolveu: a) o registro geométrico dos dados e, h) a fusão dos

dados para a analise. Neste segundo passo, o autor adicionou a banda

pancromãtica a cada uma das bandas do TM, pixel a pixel.

- 06 -

Os resultados foram positivos e sustentam a idéia de se

dispor no futuro de sistemas sensores com dados multiespectrais com bai

xa resolução espacial coletados simultaneamente com uma ou duas bandas

monocromáticas com alta resolução espacial(5 a 10 m).

O trabalho de Dutra et allii(1988), foi realizado com o

propasito de Obter-se uma imagem multiespectral colorida com resolução

de 10m a partir da integração da banda pancromãtica do SPOT com as ban

das 4,3 e 2 do TM/Landsat.

Para esta finalidade foi utilizada :a técnica de transfor

mação no espaço de cores(transformação I.H.S.), acerca da qual maiores

detalhes são encontrados em Dutra at allii(1986).

O produto obtido mostrou-se de qualidade superior aos pro

dutos componentes considerados isoladamente, tendo em vista sua aplica

ção no mapeamento do uso do solo urbano.

No presente trabalho, integra-se uma imagem SPOT multies

pectral com uma aerofoto pancromãtica na escala original 1:25.000, digi

talizada com resolução de 2m e tratada no sistema de processamento de

imagens com uma resolução de 3,5m. A integração destes produtos deu-se

através do emprego da técnica de tranformação I H S. O proOsito final

foi testar a utilidade deste produto para o levantamento do uso do solo

urbano.

2 - O KTODO DE TRABALHO EMPREGADO

Inicialmente, utilizando-se o equipamento EIKONIX daKODAK

COMPANY disponivel no Instituto de Atividades Espaciais/CTA, a aerofoto

pancromãtica na escala 1:25.000 foi digitalizada com pixels de 2 metros,

correspondendo a um arquivo de 3048 x 3048 pontos.

A partir dal, o trabalho realizou-se no SITIM-150 (Siste

ma de Tratamemto de Imagens) do Laborat6rio de Tratamento de Imagens Di

gitais do INPE.

- 07 -

Foi escolhido para o estudo e gravado em disco um módulo

de 512 x 512 pixels, com o tamanho aproximado do pixel de 3,5m, perfa

zendo uma área com cerca de 321 ha.

Em seguida, utilizando-se software disponível no sistema,

Ii at allii(no prelo) , foi realizado o registro da imagem SPOT(modo mul

tiespectral, bandas 3, 2 e 1), com a aerofoto pancromãtica.

Foram coletados 8 pontos de controle, utilizando-se 5 pa

ra realizar o registro e 3 para avaliar sua precisão, que foi considera

da boa*. Foi utilizado um polinamio de W ordem para esta superposição.

No processo de registro da imagem SPOT com a aerofoto, a

imagem SPOT foi ajustada à aerofoto, tomada com referência. Para isso o

programa, a partir da coleta e seleção dos pontos de controle, realizou

a interpolação hlbrida adaptativa(bilinear ou convolução cúbica), con

forme algoritmo descrito em amara Neto(1982), ampliando-a quase 6 vezes

para atingir um pixel virtual de 3,5m.

Com as imagens registradas, aplicou-se a transformaçãoIHS

para preparar uma imagem multiespectral colorida com resolução espacial

de 3,5m, apresentando-se o resultado em escala da ordem de 1:6.000. Os

procedimentos bãsicos descritos em Dutra et allii(1988) são aqui breve

mente apresentados, mostrando-se as particularidades daaplicação presente.

Neste trabalho foi processada pela transfomação IHS a ima

gem de São Jose dos Campos de 19/07/88, com as bandas 3, 2 e 1 equaliza

das em 128 e associadas ".is cores vermelho, verde e azul respectivamente.

O valor 0,2 foi adicionado ‘à" componente saturação(S) para

tornar as cores mais vivas no produto final.

A componente Intensidade(I) com resolução de 20m (pois tra

* Erro interno relativamente aos pontos utilizados: Horizontal = 0,434 pixel Vertical = 0,230 pixel Total = 0,491 pixel Erro interno relativamente aos pontos não utilizados: Horizontal = 0,733 pixel Vertical = 0,676 pixel Total = 0,997 pixel

ta-se de representação alternativa das bandas SPOT) foi substituída pe

la aerofoto pancromãtica com resolução de 3,5m.

A componente H foi mantida inalterada.

Nesta conformação, a cada conjunto de cerca de 3 dezenas

de pixels da aerofoto correspondia um único valor de H e um único valor

de S.

Por fim foi feita a transformação IHS inversa obtendo-se

uma composição R6B com resolução espacial da aerofoto.

Este produto, bem como a imagem SPOT multiespectral e a

aerofoto pancromãtica, foi interpretado com o prOpOsito de avaliar sua

adequação para o levantamento do uso do solo urbano.

3-A ÃREA TESTE E OS PRODUTOS BÁSICOS UTILIZADOS

A ãrea teste corresponde ã parte central da porção urbana

de São José dos Campos, SP.(Figura 3.1).

C . VILA SANTA,...

HELENA 4.) JARDIM

‘., BELA ''‘VISTA

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BANHADO .

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PIRATININSA • •\

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Fig. 3.1 A área teste

4

- 09 -

Esta área engloba o centro antigo da cidade e partes dos

bairros do Jardim Paulista, Monte Castelo, Vila Maria, Jardim Bela Vis

ta, Vila Santa Helena e Vila Piratininga. Compreende ainda parte do Ba

nhado(área rural no entorno da cidade) e a Avenida Senador TeotEnio Vi

lela.

Da interpretação da aerofoto pancromática, do sobrevõo do

INPE sobre São José dos Campos de agosto de 1985(aerofoto 4238), e que

foi ampliada na tela do SITIM-150(Figura 3.2) identificam-se ruas, quar

teirões, praças, cemitério e mesmo edificações isoladas grandes ocupa

'das por alguns equipamentos urbanos com escolas, hipermercado, hospital,

rodoviária, igreja, mercado municipal, paço municipal, entre outros.

Fig. 3.2 Aerofoto pancromãtica. São José dos Campos, Agosto de 1985.

Nesta área encontra-se o coração(CBD) da cidade com uso

misto do solo, compartilhado pela comércio, pelos bancos e outros servi

ços. AÃ, relativamente á tipologia construtiva tem-se alguns edifIcios

comerciais ou residenciais, construções comerciais ou de serviços, hori

zontais e isoladas. No seu entorno ocorrem bairros residenciais de clas

se media baixa, bem como uma favela.

São identificados também, através da aerofoto, ruasarbori

zadas, pela discriminação das copas das 5rvores(tom de cinza escuro)jun

to is áreas construldas(tom de cinza claro).

Neste produto as áreas de vegetação densa aparecem em cmn

za escuro, destacando-se das ãreas construidos, mais claras. Por sua vez,

a cobertura vegetal de graminea; determinados tipos de solos expostos ;

certos materiais empregados em telhados e revestimentos de ruas, 0 -tios

e estacionamentos; têm tons de cinza semelhantes, o que dificulta sua

discriminação nas aerofotos pancromiticas.

Como produto básico do trabalho foi utilizada também a

composição SPOT-XS. Esta imagem, com o pixel de 20m, ampliada na escala

1:33.000, permite descriminar, através de arranjos texturais e tonalida

des as áreas de ocupação horizontal daqueles que estão se verticalizando

(CBD). Além disso, pela informação espectral da imagem, este produto

permite discriminar com clareza as áreas construidas(em cinza aço) das

ãreas com cobertura vegetal(em vermelho). Estas últimas compreendem tan

to áreas com vegetação densa, com algumas praças no centro urbano, quan

to áreas com cobertura de gramineas, caso da pastagem no entorno urbano

ou dos gramados ao longo do anel viário.

Comparativamente i informação fornecida pela aerofoto, es

te produto permite apenas a discriminação de classes amplas de uso.

Esta mesma imagem foi ampliada na tela do SITIM-150 para

uma escala e tamanho do pixel compatíveis com a aerofoto(Figura 3.3).

Nesta forma, a imagem interpretada visualmente permite se

parar áreas relativamente pequenas com cobertura vegetal (terrenos vazios

e praças públicas) das ãreas construidas. Discrimina também, pela alta

reflectãncia de seus telhados e suas grandes dimensaes, algumas constru

çb-es de porte maior. Edificios de andares são destacados pelas suas som

bras em tons escuros.

Entretanto, todos estes alvos não são discriminados com

clareza neste produto. As formas, mesmo das grandes estruturas, não são

precisas. De modo geral pode-se afirmar que não existe uma definição

geométrica clara dos alvos urbanos, que aparecem embaçados.

Fig. 3.3 Imagem SPOT: escala e pixel compatíveis com a aerofoto.

4 - O PRODUTO HIBRIDO RESULTANTE

A técnica empregada para a geração deste produto híbrido

foi efetiva para a produção de uma imagem com as características espa

ciais da aerofoto e espectrais da imagem SPOT.

A imagem colorida R6B com a resolução espacial de 3,5m,

obtida a partir da integração da aerofoto pancromãtica e das bandas 3,2

e 1 do SPOT é mostrada na Figura 4.1.

Esta imagem oferece simultaneamente ao fotointérprete a

definição geométrica dos alvos possibilitada pela fotografia aérea, e a

definição espectral da imagem SPOT-XS.

- 12 -

Fig. 4.1 Imagem colorida resultante da integração da aeorofoto com a

imagem SPOT.

O sistema viãrio urbano da porção central da cidade, em

forma de tabuleiro de xadrez, define-se claramente neste produto, como

na aerofoto. Do mesmo modo: as edificações de porte, pela forma e dimen

sEes de seus telhados; as -áreas que estão verticalizando-se,pela alter

nãncia das edificações térreas e de andares; as ãreas residenciais de

baixa qualidade, pela sua textura fotogrãfica mais fina devido as peque

nas dimensões e espaçamento entre as casas.

Como na imagem SPOT-XS neste produto hibrido as ãreas

construidas(em cinza aço) discriminam-se das ãreas com cobertura vege

tal (em vermelho).

Estas ultimas separam-se, pela diferença de tonalidade do

vermelho, em ãreas cobertas por vegetação densa e ãreas com gramineas.

A vantagem principal desta composição hibrida é que ela

permite separar alvos que não são discriminados nos outros dois produ

tos isoladamente. Ou seja, a nivel de detalhe das propriedades indivi

dualmente, separa terrenos vazios, em geral com cobertura de gramineas

- 13 -

(em vermelho), de áreas com cobertura de concreto ou asfalto, como esta

cionamento, 0- tios, ou telhados(em cinza aço).

Além disso, a nïvel da estrutura urbana mais geral este

produto forneceu uma informação nova interessante. Pelo fato das reso

luções espaciais dos dois produtos de sensoriamento remoto serem tão di

ferentes e cada conjunto de cerca de 3 dezenas de pixels da aerofoto

corresponder a um único valor de H, a ocorrência de pixels mistos na ima

gem SPOT implicouno aparecimento de "manchas" coloridas no produto hi

brido resultante. Neste caso, a nivel de detalhe,observa-se uma certa

incoerência entre a informação espectral e a espacial devido à baixa re

solução espacial da imagem SPOT em relação aerofoto. Exemplo seria um

pequeno alvo de concreto aparecer avermelhado. Porem este fato tem tam

bém um efeito positivo no resultado da fotointerpretação. Serve para

separar ãreas com cobertura do solo mais homogênea daquelas mais hetero.

gêneas. Deste modo permite separar áreas com densidade construtiva maior

(CBD e Jardim Paulista) ou densidade de vegetação mais alta(parques e

gramados) de áreas de ocupação mais rarefeita em que construções se al

temam a quintais e jardins. Estas Ultimas ãreas definem-se por uma mes

cia colorida, constituïda pela alternincia do azul acinzentado e verme

lho.

Observa-se que a delimitação destas áreas não e mais fa

cilmente possIvel nem mesmo através do exame de aerofotos coloridas nor

mais da área, na escala 1:25.000, que foram examinadas e ajudaram a per

ceber a utilidade do produto hibrido em avaliação.

- CONCLUSÕES

A técnica de transformação no espaço de cores(transforma

çgo IHS) aplicada para a integração da aerofoto pancromãtica com a ima

gem SPOT-XS produziu uma imagem colorida de qualidade superior em al

guns aspectos aos produtos isolados, tendo em vista o prop6sito demapea

mento do uso do solo urbano detalhado.

A imagem resultante apresenta propriedades espaciais da

aerofoto e propriedades espectrais da imagem SPOT. Com isto permite uma

- 14 -

separação de classes mais detalhadas de uso do solo que a permitida

pelos dados orbitais, e uma interpretação mais fiel, que a possibili

dade pela aerofoto pancromãtíca,de determinados alvos urbanos.

Uma dificuldade encontrada na aplicação da técnica de

transformação IHS para a integração dos produtos de Sensoriamento Remo

to em questão, e decorrente do fato de trabalhar-se com resoluções espa

ciais tão diferentes. Isto implica no "borramento" da imagem hibrida re

sultante, pela multiplicação do mesmo H da imagem em um conjunto de pi

xels da aerofoto.

No produto em questão isto evidencia-se pelas manchas over

melhadas, por exemplo, no entorno de ãreas verdes densas ou ao longo da

Avenida Teotanio Vilela, sobrepondo-se a ã'reas construidos.

Resumindo, a integração dos dois produtos pela técnica de

IHS realçou visualmente o produto resultante, salientando aspectos des

percebidos nos dados originais, em que pese os borrões na imagem produ

zidos pela diferença expressiva entre os tamanhos dos pixels dos dois

produtos.

- 15 -

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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