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Correes atmosfricas 6s e DOS na caracterizao espectral de alvos naturais de Ilha

Grande utilizando dados do sensor TM 5

Everton Hafemann Fragal1

Otvio Cristiano Montanher2

1 2

Universidade Estadual de Maring

Departamento de Geografia GEMA Grupo de Estudos Multidisciplinares do Ambiente Av. Colombo, 5790 Jardim Universitrio CEP 87.020-900 - Maring PR

[email protected], [email protected]

Abstract. In acquisition of satellites imagery the sensor detects the REM emitted by the target after the

interaction with the atmosphere. To spectral characterization of a target is necessary to go through the process of

radiometric calibration and atmospheric correction. There are several methods for atmospheric correction that

reduce atmospheric effects. These methods may allow different spectral signature of the target. The aim of this

work was analyze the methods of atmospheric corrections 6s and DOS in characterization of spectral

comportment in all bands of sensor in the burned and unburned vegetation areas and water pond in the Parque

Nacional de Ilha Grande after much burned occurred on Dez/2008. Six Landsat 5 images, TM sensor were used.

After four month of performance by burning, these suffered the process of geometric and radiometric correction.

Was observed that the method of atmospheric correction 6s showed great efficiency in characterization of

spectral comportment of vegetation burned and unburned compared with the method DOS. It occurs because this

method considers the scattering and absorption atmospheric and conditions of image acquisition.

Palavras-chave: Remote Sensing, atmospheric interference, burned areas, Parque Nacional de Ilha Grande,

sensoriamento remoto, interferncia atmosfrica, reas incendiadas.

1. Introduo

As imagens de satlite so amostras da energia eletromagntica, aps a interao com a

atmosfera e a superfcie terrestre, captadas por determinado sensor (Paranhos Filho et al.,

2008). As imagens so constitudas de pixels compostos por nmeros digitas (NDs), sendo

formados aps a interao da REM com o alvo, que emite valores espectrais no mesmo

comprimento de onda incidente detectado pelo sensor remoto (Jensen, 2009). Esses valores

so convertidos em radincia, que no permite a caracterizao do alvo, pois este est

relacionado com a intensidade da irradincia incidente, mas diretamente proporcional ao

Fator de Reflectncia Bidirecional aparente (FRB aparente) que permite a caracterizao do

alvo aps a correo atmosfrica na imagem.

Alguns mtodos de correo atmosfrica so aplicados para mitigao dos efeitos

atmosfricos sobre a REM captada pelos sensores, como o mtodo DOS (Dark Object

Subtraction), que segundo Chvez (1988) utiliza dados da prpria imagem e considera

somente os valores de espalhamento atmosfrico, e o mtodo 6s (Second Simulation of

Satellite Signal in the Solar Spectrum), que segundo Vermote et al., (1997) fundamenta-se no

modelo de transferncia radiativa.

Aps a converso para valores fsicos e mitigados os efeitos atmosfricos, possvel

efetuar a caracterizao espectral dos objetos. Partindo do pressuposto que o ambiente

modifica-se constantemente, a anlise do comportamento espectral de alvos naturais uma

importante tcnica para avaliao da evoluo e monitoramento dos processos ambientais.

O objetivo desse trabalho comparar o produto das correes atmosfricas 6S e DOS, os

valores de FRB aparente e os valores de ND original de uma base de dados multitemporais,

para oferecer uma avaliao da eficincia dos mtodos aplicados na caracterizao espectral

de alvos dinmicos. Tais tcnicas de correo atmosfrica so amplamente utilizadas no

campo acadmico, e trabalhos foram elaborados com objetivo de comparar metodologias de

produtos gerados pela correo atmosfrica em um perodo com um ou vrios alvos (Antunes

Anais XV Simpsio Brasileiro de Sensoriamento Remoto - SBSR, Curitiba, PR, Brasil, 30 de abril a 05 de maio de 2011, INPE p.7456

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et al., 2003; Oliveira, 2008) e alguns trabalhos tambm foram realizados em sries temporais

avaliando apenas um alvo (Song et al., 2001; Schroeder et al., 2006; ), porm poucos

trabalhos apresentam dados comparativos para alvos dinmicos como em reas queimadas ou

em lagoas de reas midas em uma srie temporal de 6 imagens em 4 meses.

2. Materiais e Mtodo

Diversos trabalhos foram realizados na avaliao da interferncia atmosfrica nos valores

espectrais de objetos (Liou, 1980; Gao et al., 1993; Latorre et al., 2002) e vrios mtodos de

correo atmosfrica foram elaborados e/ou melhorados (Chvez, 1988; Zullo, 1994;

Vermote, et al., 1997). Os mtodos de correes atmosfricas como: DOS, 6s, SCORADIS,

entres outros, permitem a identificao das assinaturas espectrais dos alvos. Alguns estudos

foram realizados na comparao de valores espectrais dos objetos com e sem correo

atmosfrica por diferentes mtodos (Zullo et al., 1996; Antunes et al., 2003).

No presente trabalho foram utilizadas imagens de satlite Landsat 5, sensor TM. A

aquisio das imagens foi realizada pelo site do INPE (Instituto Nacional de Pesquisas

Espaciais) disponvel em http: www.inpe.br. As imagens selecionadas foram dos primeiros

quatros meses de 2009, aps a queimada em dez/2008 de parte do P. N. de Ilha Grande, nas

datas de 12/01/2009, 13/02/2009, 01/03/2009, 17/03/2009, 02/04/2009 e 18/04/2009, rbita /

Ponto (224/076) nas quais apresentaram poucas coberturas de nuvens e imperfeies

radiomtricas. A Figura 1 apresenta a rea de estudo com a localizao dos pontos de

amostragem. O Parque Nacional de Ilha Grande situa-se na divisa entre os estados do Paran

e o Mato Grosso do Sul pertencente Unidade de Conservao Federal. O Parque Nacional

de Ilha Grande sofre intensas e freqentes queimadas que interferem no desenvolvimento dos

processos biticos e abiticos da ilha (Koproski, 2005).

Figura 1. Localizao da rea de estudo e dos pontos extrados os valores espectrais.

Foram realizadas correes geomtricas (Novo, 1992) e radiomtricas nas imagens. As

imagens foram georreferenciadas tendo como referncia a base da GLCF (Global Land Cover

Facility) disponvel pelo site www.landcover.org/index.shtml. A calibrao radiomtrica consistiu-se na transformao do nmero digital (ND) da imagem para valores de FRB

aparente, atravs do mtodo proposto por Markham e Barker (1986) e segundo os parmetros

de Chander et al., (2009). Aps a converso dos NDs para valores fsicos de FRB aparente,


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foi aplicada a tcnica de correo atmosfrica 6s, pois o mtodo DOS utiliza os valores de

NDs da imagem. O mtodo de correo atmosfrica DOS foi aplicado segundo Chvez (1988), com a

utilizao de dados provenientes da prpria imagem. Neste modelo so excludos, por

exemplo, fatores externos como condies atmosfricas e visibilidade horizontal, e considera

somente o espalhamento atmosfrico na imagem. Esse mtodo utiliza o histograma de

freqncia de nmeros digitais de alguma banda da imagem, de preferncia a de menor

comprimento de onda, buscando o nvel digital mais baixo que indique a resposta espectral do

alvo (Grtler et al., 2005). Como a interferncia atmosfrica atua com maior intensidade nos

menores comprimentos de onda do espectro eletromagntico, a banda 1 foi escolhida para

obter as condies atmosfricas, sendo posteriormente aplicadas para o restante das bandas. O mtodo de correo atmosfrica 6s (Second Simulation of Satellite Signal in the Solar

Spectrum) (Vermote et al., 1997) uma modificao melhorada do mtodo 5s (Simulation of

Satellite Signal in the Solar Spectrum). Esse mtodo foi elaborado para modelar os seguintes

parmetros atmosfricos: modelos estatsticos baseados nas bandas de absores atmosfricas,

modelagem de vrias funes atmosfricas para um tratamento completo do processo de

espalhamento, e um tratamento aproximado de interao entre os dois efeitos atmosfricos

(Latorre et al., 2002). Os parmetros de entrada para a correo atmosfrica so: as

configuraes das condies geomtricas do satlite, dia, ms, latitude e longitude, modelo

atmosfrico, visibilidade horizontal, altura em relao ao alvo, sensor abordo do satlite e

banda espectral.

Aps a transformao dos NDs em valores fsicos com a interferncia atmosfrica

reduzida, foram extrados os valores mdios em clulas 4x4 de todos os alvos e em toda a

srie de imagens, pelos dados gerados pelo mtodo de correo 6s, DOS, FRB aparente e

valores dos NDs originais. Foram feitos grficos para representao dos dados extrados.

Tambm foram elaborados grficos que indicam as diferenas dos valores espectrais das duas

tcnicas de correo atmosfrica.

3. Resultados e Discusso

Os grficos da Figura 3 apresentam os dados extrados dos alvos sob estudo, por meio dos

mtodos de correo atmosfrica DOS e 6s, os valores de FRB aparente e os valores dos NDs

originais, reamostrados para escala de 0 a 100, mas que no indicam valores com significado

fsico. Na regio espectral do visvel, as reas incendiadas e no incendiadas apresentaram,

por meio dos mtodos DOS e 6s, um pico na regio espectral do verde, resultante da maior

absoro pela xantofila e clorofila nos comprimentos de onda do azul e do vermelho (Ponzoni

e Shimabukuro, 2007; Jensen, 2009).

Na regio do infravermelho prximo pelo mtodo 6s ocorreu um aumento dos valores

FRB atravs do espalhamento da REM na estrutura celular do mesfilo das folhas do dossel

da vegetao (Jensen, 2009). Na regio do infravermelho mdio ocorreu uma diminuio do

FRB devido absoro das molculas de gua presentes nas folhas. Por meio do mtodo DOS

os valores de FRB na banda 4 tambm foram elevados, mas inferiores aos obtidos atravs do

mtodo 6s, igualmente reconhecido por (Ponzoni e Shimabukuro, 2007).


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Figura 2. Comportamento espectral dos alvos. As bandas do sensor TM5 esto no eixo x. *A escala do eixo y

refere-se valores de FRB, menos em relao aos NDs originais, que foram reamostrados para representao.


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Os valores definidos pelo FRB aparente foram maiores no intervalo espectral do visvel,

pois so os menores comprimentos de onda detectados pelo sensor, que sofrem maior

espalhamento atmosfrico, o qual ainda no foi corrigido. Em geral o comprimento de onda

do infravermelho apresentou maior em todas as datas de anlise em comparao ao mtodo

DOS e menores pelo 6s, tendo suas particularidades em cada banda espectral. Na banda 4 o

valor de FRB aparente apresentou inferior nas datas de 01/ mar e 02/abril, na banda 5 nas

datas de 01 e 17 de maro e 02 e 18 de abril, e na banda 7 na data de 12/jan por ambos os

mtodos aplicados, indicando que nesses perodos a interferncia atmosfrica foi variada.

Na regio espectral do infravermelho prximo, pelo mtodo 6s, os valores de FRB de

superfcie foram mais elevados em relao ao mtodo DOS, indicando consistncia na

diminuio da absoro atmosfrica, assim como na regio espectral do infravermelho mdio,

conforme descrito na literatura.

A gua apresenta altos valores de absoro, sendo maiores na regio do infravermelho

(Jensen, 2009). Ambientes lnticos, com baixa energia e transporte de sedimentos clsticos,

como o encontrado na rea de estudo, possuem presena de compostos orgnicos dissolvidos,

que tm como caracterstica forte absoro nos menores comprimentos de onda (Kirk, 1994).

Com isso, a lagoa apresentou valores extremamente baixos de FRB de superfcie para as

bandas do visvel. Entretanto, algumas datas apresentaram valores mais elevados de FRB de

superfcie na banda 4. Considerando que em relao ao intervalo do visvel, a gua possui um

coeficiente de absoro maior neste intervalo espectral, isto pode ser explicado atravs da

influncia de macrfitas aquticas sobre o plano dgua, no qual a data de 13/fev apresentou os maiores valores de FRB. Os valores obtidos pela correo 6s permitiram uma avaliao

mais adequada desta influncia da vegetao sobre o alvo gua em relao aos obtidos pela

DOS, pois na maioria das datas os valores do visvel no demonstram esta relao.

A interpretao do comportamento espectral dos alvos pelos valores de ND reamostrados

para escala de 0 a 100, no foi possvel, pois tais dados no tem correspondncia a grandezas

fsicas. Cada sensor, em cada banda espectral tem seu prprio critrio para discretizar os

valores de radincia medidos na escala especfica de sua resoluo radiomtrica (8 bits).

Assim, as imagens resultantes, para um mesmo sensor, mas em diferentes bandas, no

apresentam necessariamente compatibilidade entre os NDs (Ponzoni e Shimabukuro, 2007).

Os valores de NDs foram ento inseridos no grfico para demonstrar o comportamento

espectral dos trs alvos analisados, os quais so inviveis para abordagens quantitativas, por

exemplo, dos valores na regio do visvel na vegetao a ausncia do pico na regio do verde,

e o excessivo valor na regio do azul.

Avaliao espectral dos alvos pelos mtodos de correo atmosfrica.

Na avaliao dos valores espectrais dos trs alvos pelos mtodos aplicados, questiona-se

qual dos mtodos mais eficiente para caracterizao dos alvos? Os valores considerados

mais adequados foram obtidos pelo mtodo 6s, pois indicaram resultados mais prximos dos

encontrados na literatura. Tendo como referncia os valores corrigidos pelo mtodo 6s,

considerados verdadeiros, foram subtrados os valores de FRB de superfcie dos alvos entre os mtodos DOS e 6s, tendo como resultado os valores de mxima, mnima e diferena mdia

dos alvos (Figura 3).

Na regio espectral do visvel, os alvos de vegetao com e sem queimada apresentaram

valores de mxima e mnima variando entre 0 e 2, isto foi atribudo no correo total do

efeito de espalhamento pelo mtodo DOS.


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Figura 3. Diferena de mnimas, mximas e mdias entre os valores de FRB de superfcie DOS 6S de cada alvo.

Na regio do infravermelho os valores foram negativos, ou seja, ocorreu a ao da

absoro da REM pela atmosfera. Como observado na Figura 2, pelo mtodo DOS os valores

dos trs alvos foram ligeiramente inferiores ao FRB de superfcie e aparente.

Em relao rea da vegetao no queimada, a banda 4 obteve visualmente grande

disparidade dos valores de mximo e mnimo, possibilitando inferir que atuao que o mtodo

DOS apresentou valores inferiores do que o esperado, na qual no foram devidamente

minimizados. Comparando os mximos e mnimos de FRB entre a regio do visvel e do

infravermelho, constata-se quantitativamente maior atenuao atmosfrica no visvel, pois

considerando a variao dos valores espectral de 0,56 para 2,31, ocorreu um aumento de

aproximadamente de 4 vezes no mesmo alvo em comparao com a regio do infravermelho

que sofreu variao de aproximadamente 2 vezes em sentido negativo, constatando uma maior

similaridade do FRB no infravermelho do que no visvel pelos mtodos aplicados. No alvo

gua as diferenas foram as menores encontradas, com uma variao de -0,5 a 3. Contudo, esta diferena refere-se valores absolutos, tais diferenas podem ser as maiores entre os

alvos se for considerada a proporo em relao ao FRB de superfcie total.

4. Concluso

A transformao dos valores de NDs para valores fsicos e posteriormente a aplicao

de duas alternativas de correo atmosfrica (6s e DOS) resgataram as assinaturas espectrais

dos alvos (rea com e sem queimada e gua da lagoa). Os dados corrigidos com o modelo de

transferncia radiativa 6s apresentaram uma maior aproximao com o descrito na literatura.

A correo atmosfrica 6s nesse estudo de caso demonstrou valores mais consistentes,

abarcando mais variveis na correo atmosfrica e apresentar o mais prximo descrito pela

literatura.

Os dados corrigidos pela correo atmosfrica DOS tambm foram adequados para

caracterizao do comportamento dos alvos, mas no sendo suficientemente coerentes, pois a

no correo da absoro atmosfrica teoricamente deveria apresentar valores inferiores de

FRB nas bandas do visvel em comparao com o mtodo 6s, ocorrendo de forma diferente do

descrito por (Ponzoni e Shimabukuro, 2007).

O FRB aparente foi ineficiente na abordagem da caracterizao espectral dos alvos do P.

N. de Ilha Grande por estar sob a interferncia atmosfrica, por exemplo, a no evidenciao

do pico na banda 2 na vegetao em relao s outras bandas na regio do visvel. Os valores

originais em ND no apresentaram comportamentos que pudessem ser caracterizados devido

discretizao diferenciada realizada pelo sensor em cada banda espectral.

Os dados obtidos demonstraram que as correes atmosfricas so necessrias, em

trabalhos quantitativos com dados radiomtricos e diferentes mtodos de correes

atmosfricas podem apresentar valores de FRB diferenciados para os mesmos alvos. Por fim,


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este trabalho oferece uma possibilidade de comparao entre as tcnicas de correo

atmosfrica mais prximas da comunidade usuria de imagens multiespectrais, e pode ser til

na medida em que permite aos leitores uma avaliao dos resultados obtidos, em que no

foram totalmente constantes com as comparaes j publicadas anteriormente.

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