IMAGENS E ESPECTROS - UFRGS · 1 IMAGENS E ESPECTROS As imagens são representações picturais do comportamento espectral dos alvos LênioSoares Galvão As imagens são representações

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IMAGENS E ESPECTROS

As imagens são representações picturais do comportamento espectral dos alvos

Lênio Soares Galvão

� As imagens são representações espacializadas dos

mecanismos de interação da energia radiante com a

superfície;

836 nm 1651 nm 2201 nm


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Composiçãocolorida

836 nm

1651 nm

2201 nm


NÍVEIS DE AQUISIÇÃO DE DADOS

� A caracterização espectral dos materiais é dependente do nível de aquisição de dados (laboratório, aeronave, orbital);


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FATORES QUE AFETAM A AQUISIÇÃO DE DADOS

(1) Fatores de Origem Externa:� Geometria Sol-Alvo-Sensor (Efeitos bidirecionais);

� Efeitos Atmosféricos.

(2) Fatores dependentes do Alvo:� Tipo e composição do alvo;

� Componentes secundários da superfície (e.g., litter);

� Orientação da superfície e sombreamento;

� Efeitos do substrato;

Não há limite claro


� A resposta espectral refletida dos materiais muda de acordo com a geometria de iluminação/visada em função da condição não-Lambertiana dos alvos;


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Fonte: Green (2003)

Ângulo de Iluminação


SZA = 53o SZA = 29o

Fonte: Galvão et al. (2004)

Dados Hiperespectrais (HYMAP) na Amazônia


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Geometria de Visada


� Efeitos bidirecionais e a influência atmosférica associada são dependentes do comprimento de onda e da geometria de iluminação e de visada. Efeitos bidirecionais são também dependentes do tipo de alvo;


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MISR/TerraFonte: Nasa/JPL


(b) (c)

(d)

Madeira River

Purus River

0 50km

N

(a)

Sun

Flight direction

Df

(-70.5o)

Cf

(-60.0o)

Bf

(-45.6o)

Af

(-26.1o)

An

(0o)

Aa

(+26.1o)

Ba

(+45.6)

Ca

(+60.0o)

Da

(+70.5o)

Forest Db Forest Ab

Forest As

Fonte: Xavier e Galvão (2003)

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400 500 600 700 800 900

Wavelength (nm)

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

BRF

CAMERA and VIEW ANGLE (Degrees)

Df (-70.5)

Bf (-45.6)

An (Nadir)

Ba (+45.6)

Da (+70.5)

FOREST Db

(a)

.

.

.

.

400 500 600 700 800 900

Wavelength (nm)

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

BRF

CAMERA and VIEW ANGLE (Degrees)

Df (-70.5)

Bf (-45.6)

An (Nadir)

Ba (+45.6)

Da (+70.5)

FOREST As

(b)

.

.

.

.





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� Razões de reflectância entre bandas podem reduzir (não eliminar) as mudanças espectrais produzidas por variações na orientação da superfície;




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O PAPEL DA ATMOSFERA

� A atmosfera afeta a aquisição de dados de sensoriamento remoto através de dois mecanismos: espalhamento e absorção;


Fonte: Green (2003)


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Fonte: Green (2003)


(1) Espalhamento

� A radiação é “redirecionada” pelas partículas na atmosfera (moléculas de gases). o espalhamento tem uma contribuição aditiva na imagem;

� De acordo com a relação entre o comprimento de onda e o tamanho das partículas, o espalhamento pode ser classificado em:

a) Rayleigh : o comprimento da radiação é muito maior que o tamanho das partículas que produzem o espalhamento. O efeito é inversamente proporcional a quarta potência do comprimento de onda. É o efeito dominante em sensoriamento remoto (céu azul);

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Fonte: Green (2003)


b) Mie : o comprimento da radiação é comparável ao tamanho das partículas que produzem o espalhamento (p. ex., fumaça e pó). Este efeito tende a influenciar maiores comprimentos de onda, quando comparado com o do espalhamento Rayleigh;

c) Não-seletivo : O comprimento de onda da radiação émuito menor que o tamanho das partículas responsáveis pelo espalhamento (p.ex., gotas de água). O efeito é não-seletivo com relação ao comprimento de onda.


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(2) Absorção� Contrário ao espalhamento, a absorção pelos

constituintes da atmosfera (p.ex., vapor d’água, oxigênio, dióxido de carbono) em um dado comprimento de onda tem um efeito espectral subtrativo;

Reflectância de superfícieReflectância aparente


� “Janelas atmosféricas”


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Fonte: Green (2003)


Fonte: Green (2003)Lênio Soares Galvão

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Fonte: Green (2003)Lênio Soares Galvão

� No sensoriamento remoto, efeitos atmosféricos e bidirecionais ocorrem fortemente associados e não são facilmente separáveis;

Brazilian Amazon RegionHYMAP data (126 bands)


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1-3

ρa (%)

3-4

4-5

5-6

0.30-0.33

0.33-0.34

0.34-0.35

0.35-0.36

0.36-0.37

0.37-0.40

Band Depth

0.60-0.75

0.75-0.80

0.80-0.85

NDVI

0

60

30

15

45

Blue

(465 nm)

Red(665 nm)

6-7

7-8

< 0.60

-30

-15

Red

(665 nm)

View

Angle (d

egrees)

Scattering Absorption


NDVI

0.85-0.92

0.75-0.85

< 0.75

Large shade components

Large sunlit components

60 -3030 0View Angle (Degrees)

N


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AVIRIS Data - Cuiabá – Brazil) 665 nm (R) 556 nm (G) 480 nm (B) 860 nm (R) 1650 nm (G) 2300 nm (B)


� A correção atmosférica pode ser implementada através do uso de procedimentos empíricos (p.ex., dark subtractionmethod) ou de métodos físicos baseados em modelos de transferência radiativa (p.ex., código 6S ou ATREM);

� Em geral, abordagens empíricas apenas minimizam os efeitos de espalhamento atmosférico;

Histogram Minimum


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CORREÇÃO ATMOSFÉRICA DE DADOS HIPERESPECTRAIS

� Para dados hiperespectrais, algoritmos baseados em modelos de transferência radiativa são usados para minimizar os efeitos de espalhamento e absorção atmosférica;

� O cálculo para recuperar a “reflectância de superfície” éobtido a partir do uso da própria imagem, especialmente das bandas de vapor d’água posicionadas em 940 nm e 1140 nm.


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Fonte: Roberts (2005)


ATREM(Gao et al., 1993)

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Fonte: Green (2003)


Fonte: Green (2003)


20

Fonte: Green (2003)


Fonte: Green (2003)


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Fonte: Green (2003)


ESPECTROSCOPIA DE REFLECTÂNCIA

� Espectroscopia é o estudo da interação complexa da matéria com a radiação eletromagnética.


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� Características dos Espectrômetros :

� De acordo com Clark et al. (1999), os parâmetros mais importantes que descrevem as características de um espectrômetro são : intervalo espectral, largura espectral, amostragem espectral and sinal-ruído;

� Intervalo espectral : Dependendo do intervalo espectral usado na aquisição de dados, bandas de absorção que podem identificar materiais podem não ser caracterizadas;


� Largura de Bandas : É a largura de uma banda (canal) no espectrômetro. Quanto mais estreita for a largura, melhor será a caracterização das feições de absorção, especialmente para bandas “contínuas”;

FWHM (Full Width at Half Maximum)


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� Amostragem espectral : É a distância entre as bandas no espectrômetro;

� Sinal-ruído (S/N): É um parâmetro importante porque indica a capacidade do instrumento em detectar bandas de absorção. Depende da sensibilidade dos detetores, da largura de bandas, e da intensidade da energia oriunda de da superfície em que a medida é feita.

Fonte : Green (2003)


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Fonte: Green (2003)


� A reflectância de um alvo (Rt) pode ser obtida pela divisão de sua radiância (Lt) pela irradiância (E), isto é, Rt = Lt/E ;

� Na prática, a abordagem mais freqüentemente utilizada é a obtenção do Fator de Reflectância Bidirecional (FRB):

FRB = (Lt/Lref) . k onde ,

Lt = radiância do alvo;

Lref = radiância de um padrão de referência (painel);

k = FRB do padrão de referência.

� Painéis para cômputo de FRB incluem BaSO4, MgO, e halon(polytetrafluoroethylene). Spectralon é um bom exemplo de um padrão de referência duro, resistente, quimicamente inerte, e lavável. Os painéis não são perfeitamente Lambertianos;


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AQUISIÇÃO DE DADOS EM CAMPO E LABORATÓRIO

� Espectrômetros versus Radiômetros de Bandas;

� Aquisição de dados em métodos simultâneo versusseqüencial :

� Nas medidas simultâneas, as radiâncias do alvo e do painel são medidas ao mesmo tempo, o que requer o uso de dois radiômetros precisamente inter-calibrados. Erros produzidos pelas variações de irradiância devidas a atmosfera são reduzidos a custa de outros possíveis erros introduzidos pela inter-calibração;

� Nas medidas seqüenciais, as radiâncias do painel e do alvo são seqüencialmente medidas em um curto período de tempo para minimizar erros produzidos pelas variações de irradiância causadas pela atmosfera;


� De acordo com Milton (1987), algumas sugestões práticas para adquirir dados de reflectância em campo são:

(a) usar um mastro ou tripé para garantir uma geometria fixa entre o sensor, o painel de referência e o alvo;

(b) posicionar o sensor a pelo menos 1 metro acima da superfície do alvo;

(c) orientar a cabeça do sensor diretamente na direção do Sol;

(d) conferir se o painel preenche o FOV do sensor, e se ele não estásombreado pelo instrumento;

(e) tomar notas sobre a superfície do alvo e sobre as conduções de medidas (local da medida, hora, geometria de visada, altura do sensor;

(f) usar roupa escura e manter-se a uma certa distância do alvo durante a medida. erros devidos a proximidade de objetos (p.ex., posição do corpo) tendem a aumentar com o aumento do ângulo zenital solar.


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� Outras importantes sugestões :

(a) coletar dados em dias claros. Em dias nublados, é importante replicar as medidas para minimizar os efeitos das flutuações de irradiância;

(b) obter medidas ao nadir durante um intervalo de ± 2 horas do meio-dia (pequenos valores de ângulo zenital solar) para reduzir variações na trajetória óptica da atmosfera, efeitos da geometria de iluminação, e erros devidos a condição não-Lambertiana dos painéis, e devidos aos efeitos de vizinhança dos objetos.


� No laboratório, alguns pontos importantes são:

(a) fixar a geometria de aquisição de dados (distância da superfície da amostra ao sensor);

(b) mapear o GIFOV;

(c) reduzir os efeitos de vizinhança;

(d) estabelecer o número de medidas para amostras heterogêneas e homogêneas.


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