Sensoriamento_Remoto_Apostila (1)

7/30/2019 Sensoriamento_Remoto_Apostila (1)

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SENSORIAMENTO REMOTO

OPOSTILA DE INTRODUO

Prof. Jean Espinoza


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1 INTRODUO

Esta apostila tem por finalidade servir como uma primeira fonte de consulta ao leitor que

pretende iniciar estudos ou adquirir uma compreenso bsica da tecnologia e dos

princpios do Sensoriamento Remoto (S.R.). O conceito de S.R. bem como suasaplicaes se entremeiam em uma relao direta e prtica. Fazer uso de S.R. estar

interessado e obter informaes, em realizar a coleta de dados ou observaes de algum

fato ou fenmeno distncia, sem que haja contato fsico. Em Medicina, por exemplo,

usam-se estas tcnicas de S.R. como formas no-invasivas de observar o corpo (ex.:

ultra-som, Rx, cintilografia, etc); em Meteorologia, as tcnicas de S.R. compem a

fonte de dados para previso do tempo (imagens de temperatura ocenica, obtidas via

satlite); em prospeco de petrleo, o S.R. fornece os dados para a procura de novospoos (Ssmica, magnetometria, etc.).

Entender as Tcnicas de S.R. como fonte de dados para problemas espaciais e saber

interpretar e manipular estas informaes obtidas de forma remota torna-se

imprescindvel para um profissional conectado as tcnicas cientficas atuais. Espera-se

com este material, fornecer uma introduo ao universo do S.R. e suas aplicaes.

Expondo uma alternativa as formas convencionais de coleta de informao.

Como idia preliminar e geral do S.R., apresentamos algumas definies do

sensoriamento remoto extrada de alguns livros::

Utilizao de sensores para a aquisio de informaes sobre objetos ou fenmenos

sem que haja contato direto entre eles.

Evlyn M. L. de Moraes Novo

Forma de se obter informaes de um objeto ou alvo, sem que haja contato fsico com

o mesmo.

Roberto Rosa

Processo de medio de propriedades de objetos da superfcie terrestre usando dados

adquiridos de aeronaves e satlites.

Robert A. Schowengerdt


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2 HISTRICO

O sensoriamento remoto (SR) teve seu incio com a inveno da cmara fotogrfica, o

primeiro instrumento utilizado na captao e registro de dados-imagem,e que at hoje

ainda utilizada para tomada de fotos areas. A cmara russa de filme pancromticoKVR-1000, por exemplo, obtm fotografias a partir de satlites com uma resoluo

espacial de 2 a 3 m.

As aplicaes militares quase sempre estiveram frente no uso de novas tecnologias, e

no S.R. no foi diferente. Relata-se que uma das primeiras aplicaes do S.R. foi para

uso militar. Para isto foi desenvolvida, no sculo passado, uma leve cmara fotogrfica

com disparador automtico e ajustvel. Essas cmaras, carregadas com pequenos rolos

de filmes, eram fixadas ao peito de pombos-correio (Fig. 1.A), que eram levados para

locais estrategicamente escolhidos de modo que, ao se dirigirem para o local de suas

origens, sobrevoavam posies inimigas. Durante o percurso, as cmaras, previamente

ajustadas, tomavam fotos da rea ocupada pelo inimigo. Vrios pombos eram abatidos a

tiros pelo inimigo, mas boa parte deles conseguia chegar ao destino. As fotos obtidas

consistiam em valioso material informativo, para o reconhecimento da posio e infra-

estrutura de foras militares inimigas. Assim teve incio uma das primeiras aplicaes

do SR.

Figura1.A: Pombo Espio Figura 1.B: o Primeiro satlite lanado (Sputnik_1 URSS)

No processo evolutivo das aplicaes militares, os pombos foram substitudos por

bales no tripulados que, presos por cabos, eram suspenso at a uma altura suficiente

para tomadas de fotos das posies inimigas por meio de vrias cmaras


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convenientemente fixadas ao balo. Aps a tomada das fotos o balo era puxado de

volta e as fotos reveladas eram utilizadas nas tarefas de reconhecimento.

Posteriormente, avies foram utilizados como veculos para o transporte das cmaras.

Na dcada de 60 surgiram os avies norte americanos de espionagem denominados U2.Estes avies, ainda hoje utilizados em verses mais modernas, voam a uma altitude

acima de 20.000 m o que dificulta o seu abate por foras inimigas. Conduzido por

apenas um piloto eles so totalmente recheados por sensores, cmaras e uma grande

variedade de equipamentos. Estes avies tm sido utilizados tambm para uso civil. Em

1995, um deles foi utilizado pelos Estados Unidos para monitoramento de queimadas e

mapeamentos diversos, nas regies Norte e Centro-Oeste do Brasil.

A grande revoluo do S.R. aconteceu a partir do lanamento do primeiro satliteartificial realizado pela Unio Sovitica em 4 de outubro de 1957 (Figura 1.B). A partir

deste feito teve-se uma acelerao na corrida espacial por parte das duas foras polticas

e econmicas dominantes: EUA e URSS. No incio da dcada de 70, com o lanamento

dos satlites de recursos naturais terrestres, (Srie LandSat), este recurso se firmou

como um importante meio de aquisio de dados em S.R.. Os satlites, embora

demandem grandes investimentos e muita energia nos seus lanamentos, orbitam em

torno da Terra por vrios anos.Durante sua operao em rbita o consumo de energia mnimo, pois so mantidos a

grandes altitudes onde no existe resistncia do ar e a pequena fora gravitacional

terrestre equilibrada pela fora centrfuga do movimento orbital do satlite. Estes

aparatos espaciais executam um processo contnuo de tomadas de imagens da superfcie

terrestre coletadas 24 h/dia, durante toda a vida til dos satlites. Nesta apostila

usaremos o termo imagem no lugar de foto de satlite, que tm o mesmo significado,

embora o primeiro seja mais tecnicamente utilizado.

A evoluo de quatro segmentos tecnolgicos principais determinou o processo

evolutivo do S.R. por satlites:

a) Sensores so os instrumentos que compem o sistema de captao de dados e

imagens, cuja evoluo tem contribudo para a coleta de imagens de melhor qualidade e

de maior poder de definio.


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b) Sistema de telemetria consiste no sistema de transmisso de dados e imagens dos

satlites para estaes terrestres, e tem evoludo no sentido de aumentar a capacidade de

transmisso dos grandes volumes de dados, que constituem as imagens.

c) Sistemas de processamento consistem dos equipamentos computacionais esoftwares destinados ao armazenamento e processamento dos dados do S.R.. A

evoluo deste segmento tem incrementado a capacidade de manuteno de acervos e as

potencialidades do tratamento digital das imagens.

d) Lanadores consistem das bases de lanamento e foguetes que transportam e

colocam em rbita, os satlites. A evoluo deste segmento tem permitido colocar, em

rbitas terrestres, satlites mais pesados, com maior quantidade de instrumentos, e

conseqentemente, com mais recursos tecnolgicos.

Na verdade a evoluo do SR fruto de um esforo multidisciplinar que envolveu e

envolve avanos na fsica, na fsico-qumica, na qumica, nas biocincias e geocincias,

na computao, na mecnica, etc...(...) Nos dias atuais o SR quase que totalmente

alimentado por imagens obtidas por meio da tecnologia dos satlites orbitais.

Existem vrias sries de satlites de SR em operao, entre eles podemos citar:

LANDSAT, SPOT, CBERS, IKONOS, QUICKBIRD e NOAA. Os satlites das cinco

primeiras sries so destinados ao monitoramento e levantamento dos recursos naturais

terrestres, enquanto que os satlites NOAA fazem parte dos satlites meteorolgicos,

destinados principalmente aos estudos climticos e atmosfricos, mas so tambm

utilizados no S.R.

A seguir, uma descrio resumida de algumas destas sries de satlites. O sistema

LANDSAT foi o primeiro a obter de forma sistemtica, imagens terrestres sinpticas de

mdia resoluo. Desenvolvida pela NASA a srie de satlites

LANDSAT iniciou sua operao em 1972. Os primeiros satlites eram equipados com

os sensores Multispectral Scanner System (MSS). Esses sensores j tinham a

capacidade de coletar imagens separadas em bandas espectrais em formato digital,

cobrindo a cada imagem uma rea de 185km X 185km, com repetio a cada 18 dias. A

srie passou por inmeras inovaes, especialmente os sistemas sensores que

atualmente obtm imagens em 7 bandas espectrais. O ltimo da srie, o LANDSAT 7,

equipado com os sensores ETM (Enhanced Tematic Mapper) e PAN (Pancromtico). O


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termo Pancromtico significa uma banda mais larga que incorpora as faixas espectrais

mais estreitas, por esta razo a quantidade de energia da banda Pancromtica chega ao

satlite com maior intensidade e isto possibilita ao sensor uma definio melhor. O

Pancromtico do LANDSAT chega a uma resoluo espacial de 15 m. Os satlites destasrie deslocam a uma altitude de 705 km, em rbita geocntrica circular, quase polar e

heliossncrona, isto , cruzam um mesmo paralelo terrestre sempre no mesmo horrio.

No perodo diurno o Landsat cruza o equador s 9:50 h. Ao longo da histria do SR at

o ano de 2004, a srie LANDSAT foi a que mais produziu e forneceu imagens civis

para todos tipos de estudos e aplicaes.

O sistema SPOT (Systeme Probatoire dObservation de la Terre) foi planejado pelo

governo francs em 1978, com a participao da Sucia e Blgica, e gerenciado peloCentro Nacional de Estudos Espaciais (CNES), entidade responsvel pelo

desenvolvimento do programa e operao dos satlites. O SPOT-1 foi lanado em

fevereiro de 1986, o SPOT-2 em 1989 e o SPOT-3 em 1993, todos com caractersticas

semelhantes. O SPOT-4, lanado em 1998, incorpora mais um canal no modo multi-

spectral (XS) e um novo sensor para monitoramento da vegetao. As caractersticas

bsicas do sistema SPOT so: Altitude 832 km; velocidade 13,3 km / s; rea coberta por

cena 60km X 60km; peso 1870 kg; dimenses 2m X 2m X 4,5m; taxa de transmisso dedados 50 Mbits / s; passagem diurna em rbita descendente s 10:30 h. O sistema sensor

do SPOT, HRVIR (High Resolution Visible and Infra-Red) capta imagens em 4 faixas

espectrais (XS1, XS2, XS3 e XS4) com resoluo de 20m e uma banda Pancromtica

(P) com resoluo de 10m. O sensor de vegetao tem resoluo de 1.165m. Uma

caracterstica interessante do SPOT possibilitar o imageamento fora do nadir (o termo

nadir utilizado para definir a perpendicular superfcie terrestre a partir do satlite). O

instrumento sensor pode ser direcionado para os dois lados (leste e oeste), de 0 a 27,

permitindo a obteno de imagens dentro de uma faixa de 950 Km de largura, centrada

no plano da rbita do satlite. Esta tcnica, conhecida como visada lateral, permite uma

rpida capacidade de revista em reas especficas. Prximo ao equador uma mesma rea

pode ser observada, em mdia, a cada 3,7 dias. Este recurso, por demandar tarefas

operacionais adicionais, tem custo relativamente alto.

Os satlites meteorolgicos da srie NOAA (National Oceanic and Atmospheric

Administration) orbita a uma altitude de 840 Km e coletam dados atmosfricos globais,


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especialmente sobre as regies polares e so tambm heliossncronos. Operam em rbita

circular, quase polar cujo plano orbital faz um ngulo de aproximadamente 9 com o

eixo terrestre e perodo orbital em torno de 102 minutos. Existem sempre 2 satlites

NOAA em operao que atuam de forma complementar, um percorre a rbita ponto no

incio da madrugada e no incio da tarde, enquanto o outro passa no incio da manh e

no incio da noite. Portanto os imageamentos so realizados a cada seis horas.

Em 1999 estavam em operao os satlites NOAA-14 e NOAA-15. O sistema sensor de

imageamento do NOAA o AVHRR (Advancing Very High Resolution Radiometer).

O AVHRR e demais sensores do NOAA destinam-se principalmente a estudos globais

relacionados a: cobertura vegetal; discriminao e distribuio de nuvens; separao

terra-gua; avaliao da extenso da cobertura de neve e gelo; determinao dastemperaturas superficiais dos mares e oceanos; levantamento do perfil vertical da

temperatura da atmosfera, contedo de vapor de gua na atmosfera; contedo de oznio;

medio do fluxo de partculas provindas do Sol e incidentes na superfcie terrestre.

DataEvento

1822

Desenvolvimento da teoria da luz:

Newton : decomposio da luz branca

Utilizao de uma cmara primitiva

1839

Desenvolvimento de equipamentos pticos:

Pesquisa de novas substncias fotosensveis

1859 Utilizao de cmaras fotogrficas a bordo de bales

1903 Utilizao de fotografias areas para fins cartogrficos

1909 Tomadas de fotografias areas por avies

1930Coberturas sistemticas do territrio para fins de levantamento de

recursos naturais

1940

Desenvolvimento de equipamentos para radiometria sensveis

radiao infravermelha

Utilizao de filmes infra-vermelho na II Guerra , para deteco de

camuflagem


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1944 Primeiros experimentos para utilizar cmaras multiespectrais

1954

Desenvolvimento de radimetros de microondas

Testes iniciais visando a construo de radares de visada lateral

1961

Desenvolvimento de processamentos pticos e digitais

Primeiros radares de visada lateral

1962

Desenvolvimento de veculos espaciais tripulados e no tripulados

Lanamentos de satlites meteorolgicos

Primeira fotografia orbital MA-4-Mercury

1972

Fotografias orbitais tiradas pelo programa Gemini

Surgem outros programas espaciais envolvendo satlites de

recursos naturais: SEASAT, SPOT, ERS, LANDSAT

1972 Desenvolvimento do programa LANDSAT

1983 Lanamento do LANDSAT 4, SIR-A, SIR-B, MOMS

1986 Desenvolvimento do programa SPOT

1991 Desenvolvimento do programa ERS

1995..Continuidade de pesquisas com vistas a melhoria dos sistemas

existentes e criao de novos sistemas

3 PRINCPIOS FSICOS

Os princpios fsicos consistem em uma compilao das leis e relaes fsicas usadas noentendimento do S.R. . Os conceitos bsicos que devemos compreender em S.R. so os

princpios das radiaes, as ondas (mecnicas ou eletromagnticas) e a interao da

radiao com a matria.

3.1. ONDAS ELETROMAGNTICAS

Experincias de Newton (1672) constataram que um raio luminoso (luz branca), ao

atravessar um prisma, desdobrava-se num feixe colorido - um espectro de cores. Desde


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ento os cientistas foram ampliando os seus estudos a respeito de to fascinante matria.

Verificaram que a luz branca era uma sntese de diferentes tipos de luz, uma espcie de

vibrao composta, basicamente, de muitas vibraes diferentes. Prosseguindo,

descobriram ainda que cada cor decomposta no espectro correspondia a uma

temperatura diferente, e que a luz vermelha incidindo sobre um corpo, aquecia-o mais

do que a violeta. Alm do vermelho visvel, existem radiaes invisveis para os olhos,

que passaram a ser ondas, raios ou ainda radiaes infravermelhas. Logo depois, uma

experincia de Titter revelou outro tipo de radiao: a ultra-violeta. Sempre avanando

em seus experimentos os cientistas conseguiram provar que a onda de luz era uma onda

eletromagntica, mostrando que a luz visvel apenas uma das muitas diferentes

espcies de ondas eletromagnticas.

As ondas eletromagnticas, que aqui chamaremos de radiao eletromagntica (REM),

podem ser consideradas como termmetros-mensageiros do SR. Elas no apenas

captam as informaes pertinentes s principais caractersticas das feies terrestres,

como tambm as levam at os satlites. A radiao eletromagntica pode ser definida

como sendo uma propagao de energia, por meio de variao temporal dos campos

eltrico e magntico, da onda portadora.

A completa faixa de comprimentos de onda e de freqncia da REM chamada de

espectro eletromagntico (Fig. 2.A e 2.B). Este espectro varia desde as radiaes gama

com comprimentos de onda da ordem de 10-6 m, at as ondas de rdio da ordem de

100 m.

A pequena banda denominada luz compreende o conjunto de radiaes para as quais o

sistema visual humano sensvel.

As bandas infravermelhas so geradas em grande quantidade pelo Sol, devido suatemperatura elevada; entretanto podem tambm ser produzidas por objetos aquecidos

(como filamentos de lmpadas).


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Fig. 2.A. - Espectro eletromagntico

Fig. 2.B. Compreenso do espectro eletromagntico

O SR passivo, que ser definido mais adiante, utiliza apenas pequenas faixas deste

espectro que consiste da luz visvel, e do infravermelho, ambas provenientes do sol, e da

faixa de ondas termais emitidas pela Terra. A luz visvel corresponde as faixas de

comprimento de onda entre 0,4 m e 0,7 m, o infravermelho a faixa de 1m a 2,5 m

e o termal entre 2,5 m a 13 m. A radiao proveniente do sol que incide sobre a

superfcie da terra denominada de irradincia, e a radiao que deixa a superfcie

terrestre denominada de radincia.

O SR ativo, que ser definido mais adiante, utiliza ondas de radar no processo de

imageamento. Estes sistemas operam com microondas nas faixas de 0,8 cm a 1,1 cm, de

2,4 cm a 3,8 cm e de 15 cm a 30 cm.


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Os princpios fsicos do SR esto intimamente relacionados REM. Ela um elo

indispensvel no processo de obteno dos dados do SR. A REM o veculo que leva as

informaes das caractersticas das feies terrestres at os satlites. Sem ela o SR

simplesmente no existiria.

3.2. INTERAO REM VS. MATRIA

O comportamento espectral, (tambm chamado de assinatura espectral), dos alvos est

relacionado ao processo de interao entre os objetos e feies terrestres com a REM

incidente. Este processo depende da estrutura atmica e molecular de cada alvo. Os

eltrons dos materiais esto distribudos em diferentes nveis energticos, em torno dos

ncleos de seus tomos. Estes nveis eletrnicos podem absorver maior ou menor

quantidade da energia da REM. Esta absoro implica na diminuio da quantidade de

energia da REM refletida pela matria, em certas faixas do espectro eletromagntico,

faixas estas denominadas bandas de absoro.

A intensidade, largura e localizao das bandas de absoro dependem do material do

alvo e resultam de trs processos:

a) Rotacional Se verifica a nvel molecular e onde ocorre a absoro da banda

localizada nas faixas do infravermelho distante e microondas.

b) Vibracional tambm acontece no nvel molecular e responsvel pelas bandas de

absoro situada entre 1,0 m e 2,5 m.

c) Eletrnico ocorre a nvel atmico que subdividido em dois tipos:

1- Transferncia de carga, responsvel pelas bandas de absoro com

comprimentos de onda inferiores a 0,4 m, principalmente nas regies do ultravioleta;

2- Efeito do campo cristalino, responsvel pelas bandas de absoro situadas nasfaixas do visvel e do infravermelho. As absores decorrentes do processo vibracional

so muito mais incisivas e estreitas, enquanto as absores do processo eletrnico so

mais suaves e largas.


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4 COMPORTAMENTO ESPECTRAL DOS ALVOS

A radiao solar incidente na superfcie terrestre interage de modo diferente com cada

tipo de alvo. Esta diferena determinada principalmente pelas diferentes composies

fsico-qumicas dos objetos ou feies terrestres. Estes fatores fazem com que cada alvoterrestre tenha sua prpria assinatura espectral. Em outras palavras, cada alvo absorve

ou reflete de modo diferente cada uma das faixas do espectro da luz incidente (Fig.

3.A). Outros fatores que tambm influenciam no processo de interao dos alvos so:

textura, densidade e posio relativa das feies em relao ao ngulo de incidncia

solar e geometria de imageamento. Em decorrncia desta interao, a radiao que

deixa os alvos, leva para os satlites a assinatura espectral dos mesmos. Os sistemas

sensores instalados nos satlites so sensveis a estas diferenas, que as registram emforma de imagens. importante mencionar que tanto a irradincia (REM que chega aos

alvos) como a radincia (REM que deixa os alvos) so fortemente afetadas em suas

trajetrias pelos componentes atmosfricos. reas nubladas, por exemplo, so

impossveis de serem imageadas por meio da luz solar.

Fig. 3.A - Grfico comprimento de onda Vs. Percentual de reflectncia de alguns alvos

Nos minerais e rochas, os elementos e substncias mais importantes que determinam as

bandas de absoro so os ions ferroso e frrico, gua e hidroxila. A assinatura espectral

dos solos funo principalmente da porcentagem de matria orgnica, granulometria,

composio mineral, umidade e capacidade de troca catinica. O aumento do contedo

de matria orgnica no solo provoca aumento na absoro espectral, na faixa do

espectro reflexivo (0,4 m a 2,5 m). Quanto a granulometria, o aumento da


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concentrao de minerais flsicos (textura de granulao muito fina) e a conseqente

diminuio do tamanho das partculas incrementa a reflectncia atenuando as bandas de

absoro. O contrrio se verifica na medida em que aumenta a concentrao de minerais

mficos (rochas ou minerais ricos em ferro e magnsio). Os solos midos refletem

menos que os solos secos no espectro reflexivo. O aumento da capacidade de troca

catinica tambm aumentam a absoro da REM.

A vegetao tem, na regio do visvel, um pico de absoro decorrente de forte absoro

dos pigmentos do grupo da clorofila (Fig. 3.B). Existem duas bandas de absoro

distintas. Uma delas situada prximo a 0,48 m devido a presena de carotenos. A outra

prxima a 0,68 m, relacionada ao processo da fotossntese. Entre estes dois pontos de

absoro existe um pico de reflectncia em torno de 0,5 m, correspondente regio dacor verde do espectro visvel, o que explica a colorao verde das plantas. Outra

caracterstica marcante do comportamento espectral da vegetao a existncia de uma

regio de alta reflectncia na regio entre 0,7 m a 1,3 m que est associada estrutura

celular interna da folha. Esta caracterstica decorre do comportamento natural da

vegetao, visando manter o equilbrio no balano de energia no interior da planta,

evitando um superaquecimento e a conseqente destruio da clorofila. Dois outros

picos de absoro ocorrem nas regies prximas a 1,4 m e 1,9 m devido a presena

de gua na folha. Embora as caractersticas anteriores sejam fundamentais para o estudo

da vegetao, elas dizem respeito a uma folha isolada, portanto no podem ser

consideradas com tal preciso, para uma cobertura vegetal. O comportamento espectral

de uma cobertura vegetal tem algumas diferenas quando comparadas a uma folha

isolada, devido a influncia de fatores diversos como parcelas de solo no cobertas pelas

plantas, ngulo de iluminao solar e orientao das folhas. Na verdade a medida da

reflectncia espectral da vegetao um pouco mais complexa, pois ela afetada por

diversos fatores, tais como: condies atmosfricas, caractersticas das parcelas de solo,

ndice de rea foliar (cobertura vegetal por unidade de rea), estado fenolgico (estado

de desenvolvimento da planta), biomassa (densidade de massa verde), folha (forma,

posio, contedo de gua, pigmentao, estrutura interna, etc.), geometria (de

iluminao, de imageamento, sol / superfcie / satlite).


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Fig. 3.B - Estrutura foliar

gua limpa absorve mais a luz que gua suja. Ao longo do espectro, a gua vai

diminuindo a reflectncia a medida em que se desloca para comprimentos de ondas

maiores. Na regio do visvel, mais especificamente nas faixas do azul e verde, observa-

se significativa reflectncia da gua, diminuindo-se gradualmente na direo do

infravermelho.

4.1 INTERAES ENTRE A ENERGIA E A MATRIA

4.1.1 INTRODUO: LEIS DA RADIAO

Para explicar as variaes de intensidade da radiao eletromagntica, ao longo de

espectro solar, foram criadas as chamadas leis da radiao. Para poder discutir essas leis

da radiao, preciso ter em mente que todo corpo cuja temperatura esteja acima do

zero grau absoluto (-273C ou zero Kelvin) absorve ou emite REM.

Para elucidar este fenmeno de emisso dos corpos, inclusive o Sol, foi criado um

modelo terico denominado de CORPO NEGRO. Segundo este modelo o CORPO

NEGRO tem a propriedade de absorver e/ou emitir toda energia que nele incidir,

independente da faixa espectral e da direo da radiao. Note que o processo

simtrico. As leis da radiao descritas a seguir explicam o fenmeno de emisso da

radiao.

A) Lei de Plank Explica a radiao emitida por um corpo negro em todo o EE.


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Equao 01 Lei de Planck

B) Lei de Wien- Determina qual o comprimento de onda em que a radiao emitida

mxima

Equao 02 Lei de Wien

C) Lei deStefan-Boltzmann- Determina a radiao total emitida por um corpo em todo

seu espectro.

Equao 03 Lei de Steffan Boltzmann

D) Lei de Kirchoff- Relaciona a radiao emitida por um corpo real com a emisso de

um corpo negro.

Equao 04 Lei de Kirchoff

De onde temos, por observao:


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Unidades de medida da REM

As unidades de medida da REM podem ser visualizadas a seguir. S para ilustrar as

unidades para a frequncia:

1KHz = 103 Hertz

1MHz = 106Hz

1GHz = 109Hz

Para comprimento de onda:

1 = 1010 m

1nm = 10-9 m

1mm = 10-6 m

4.1.2 - INTERAO DA RADIAO SOLAR COM A ATMOSFERA

TERRESTRE

4.1.2.1 - INTERAES

Toda substncia com temperatura superior de zero absoluto (zero Kelvin ou 273C)

emite radiao eletromagntica, como resultado de suas oscilaes atmicas e

moleculares. Essa radiao emitida pode incidir sobre a superfcie de outra substncia

podendo ser refletida, absorvida ou transmitida. No caso da absoro, a energia

geralmente reemitida, normalmente com diferentes comprimentos de onda.


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O fluxo total de energia solar no topo da atmosfera de aproximadamente 2 cal/cmmin.

Entretanto quando a radiao solar penetra na atmosfera terrestre, sofre atenuaes

causadas pelos processos de reflexo, espalhamento e absoro ocasionados pelos

constituintes atmosfricos, por partculas dispersas e pelas nuvens. Estes processos

constituem o que conhecemos como atenuao. Isso faz com que a radiao global que

chega na superfcie terrestre esteja fortemente atenuada, tendo-se uma perda total de

53% da radiao global que corresponde a 1,06 cal/cmmin.

A radiao solar sofre vrios processos de refrao (mudana de trajetria de um feixe

de radiao, quando este passa de um meio menos denso para um mais denso) porque a

concentrao dos gases que compem a atmosfera bastante variada nas diferentes

zonas (camadas).Certos gases constituintes, como o Oznio e o CO2, absorvem a radiao solar em

certos comprimentos de ondas. Essa absoro pode ser total, como o caso da radiao

ultravioleta (absorvida pelo Oznio) ou parcial, como ocorre em quase todo o espectro a

partir de 0,3 m. Na imagem a seguir podemos identificar estas caractersticas.

Existem outros fatores que provocam o espalhamento da radiao como partculas

dispersas e presena de nuvens. As nuvens so a maior barreira radiao solar, do


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ponto de vista do SR, porque elas impedem a passagem da radiao solar na poro

reflectiva do EE, onde operam a maioria dos sistemas sensores.

4.1.2.2 EFEITOS ATMOSFRICOS NA PROPAGAO DA REM

Embora a primeira vista a atmosfera parea ser transparente luz, ela no . Situada

entre o alvo e o sistema sensor, ela um dos fatores que mais interferem nos resultados

de SR. Assim, devemos sempre considerar os seguintes fatores associados atmosfera,

os quais interferem no Sensoriamento Remoto: Absoro, efeitos de massa de ar,

espalhamentos devido a molculas gasosas ou partculas em suspenso, refrao,

turbulncia, emisso de radiao pelos constituintes atmosfricos, etc...

Desse modo, conclumos que a atenuao da radiao dada por:

ABSORO: a energia de um feixe de radiao eletromagntica transformada em

outras formas de energia e reemitida em outros comprimentos de onda. A REM ao se

propagar pela atmosfera absorvida seletivamente pelos seu vrios constituintes, tais

como: vapor dgua, oznio, dixido de carbono.

No processo de absoro, a energia de um feixe absorvida, transformada em outrasformas e reemitida em outros comprimentos de onda.

Os gases presentes na atmosfera, atravs da absoro e reflexo, atenuam e modificam a

REM original emitida pelo alv. Por outro lado, as regies do espectro que possuem uma

alta transmitncia da atmosfera ( ou fraca absoro), as conhecidas por janela

atmosfricas, so de suma importncia no SR. So nestas janela que as medidas de SR

so feitas.

As principais janelas atmosfricas utilizadas so:


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Dentro das faixas do ultravioleta e visvel, o oznio o principal atenuador por

absoro, embora em muitos casos esta absoro pode ser desprezada em funo de ser

muito pequena. Enquanto que na faixa do infravermelho o vapor dgua e o dixido de

carbono so os principais atenuadores.

O grfico abaixo mostra a energia radiante do Sol incidindo sobre a Terra, para cada

comprimento de onda. Irradincia Espectral (Fluxo Radiante por unidade de rea e

comprimento de onda X variao de comprimento de onda).

O grfico apresenta 3 curvas:

a) a Irradincia Solar no topo da atmosfera

b) a Irradincia Solar ao nvel do mar

c) a curva de Irradincia de um corpo negro temperatura de 5900K.

A anlise do grfico permite predizer que:

- o mximo de energia disponvel est entre 0,4m a 0,7m ( Regio Visvel do

EEM)


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- existem regies do EEM para as quais a atmosfera opaca, i.e., no permite a

passagem da REM ( bandas de absoro da atmosfera) [principais constituintes

atmosfricos responsveis pela absoro da radiao solar: O3 (Oznio),O2,(Oxignio),

H2O (vapor dgua) e CO2(gs carbnico).

- existem regies do EEM para as quais a atmosfera transparente REM, i..,

permite a passagem da REM proveniente do Sol ( janelas atmosfricas )

ESPALHAMENTO

O espalhamento um processo fsico que resulta da obstruo das ondas

eletromagnticas por partculas existentes nas sua trajetrias ao penetrarem na atmosfera

terrestre. Essa obstruo pode ser tanto da energia incidente quanto da energia re-

irradiada(refletida). Na atmosfera, as partculas responsveis pelo espalhamento de

energia apresentam tamanhos variveis. H desde molculas de gases naturais at

grandes gotas de chuva e partculas de granizo, conforme mostrado na tabela abaixo.

A intensidade e a direo do espalhamento depende fortemente da razo entre os

dimetros das partculas presentes na atmosfera e do comprimento de onda da energia

eletromagntica incidente ou re-irradiada.

- existem regies do EEM para as quais a atmosfera transparente REM, i.e.,

permite a passagem da REM proveniente do Sol ( janelas atmosfricas )

Espalhamento: a energia de um feixe de radiao eletromagntica removida por

mudana de direo. Ao interagir com a atmosfera, pelo processo de espalhamento,

gerar um campo de luz difusa, que se propagar em todas as direes.

Dependendo do tamanho dos elementos espalhadores e do comprimento de onda da

radiao, pode-se distinguir trs tipos de espalhamento:


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a) Espalhamento Molecular ou Rayleigh: produzido essencialmente por molculas dos

gases da atmosfera que espalham mais eficientemente a energia eletromagntica de

menores comprimentos de onda. Quando a relao entre o dimetro da partcula e o

comprimento da onda eletromagntica menor que (m). A quantidade de radiao

espalhada inversamente proporcional quarta potncia do comprimento de onda ( E =

/4 ), afetando pequenos comprimentos de onda pertencentes a regio do visvel, i.e,

os comprimentos de onda menores so mais espalhados.

Quanto menor o comprimento de onda, maior o espalhamento: Isto explica a colorao

azul do cu, onde o comprimento de onda nesta faixa menor. Isso provoca um efeito

de haze (presena de brumas) nas fotografias ou imagens.

Ex: = 440nm ( luz azul) ser espalhada cerca de seis vezes mais que a luz

vermelha = 770nm.

b) Espalhamento MIE: ocorre quando o dimetro das partculas presentes na atmosfera

so da mesma ordem ou prximos ao tamanho do comprimento de onda da radiao.

Quando d = , o espalhamento ser proporcional a /2. Se o dimetro for da ordem de

d = (3/2), o espalhamento ser proporcional a /. Afeta comprimentos de onda

maiores na regio do visvel.

c) Espalhamento no seletivo: ocorre quando os dimetros das partculas so muito

maiores que o comprimento de onda, (d >> ). Neste caso o tamanho das partculas

existente na atmosfera deixa de ter influncia no espalhamento.

Isto , o espalhamento vai se tornando independente do comprimento de onda medida

que aumenta o tamanho das partculas. A radiao de diferentes comprimentos de onda

ser espalhada com igual intensidade. Afeta todos os comprimentos de onda igualmente,

resultando na aparncia branca das nuvens e a formao de neblina.

A atenuao da radiao pode explicar ainda a cor avermelhada do entardecer, isto

devido: a maior espessura de atmosfera que a radiao tem de atravessar, e onde ficam

retidos os menores comprimentos de onda (azul) da luz, deixando passar a componente

vermelha da luz solar.

Devido os fatores de atenuao importante um planejamento antes da aquisio dos

dados e dos processos de interpretao.


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Tanto no processo de planejamento de aquisio de dados por sensores remotos,

quanto no processo de interpretao, importante levar em considerao o fenmeno de

espalhamento, pois a radiao eletromagntica coletada pelo sistema sensor no provm

somente o alvo, uma vez que a radiao espalhada pela atmosfera e por outros alvos

poder tambm atingir o sistema sensor, mascarando, total ou parcialmente, a

informao desejada. Na prtica, os quatro processos: emisso, absoro, reflexo e

transmisso ocorrem simultaneamente e suas intensidades relativas caracterizam a

substncia em investigao. Dependendo das caractersticas fsicas e qumicas da

mesma, aqueles quatro processos ocorrem com intensidades diferentes em diferentes

regies do espectro. Esse comportamento espectral das diversas substncias

denominado assinatura espectral e utilizado em Sensoriamento Remoto para distinguir

diversos materiais entre si.

5. PROCESSO DE IMAGEAMENTO COM SATLITES

5.1. O PROCESSO DE IMAGEAMENTO E AS RBITAS DOS SATLITES

Os satlites no geo-estacionrios, acompanham a Terra no movimento de translao,

mas no no movimento de rotao. A Terra desloca-se sob o satlite no movimento de

rotao. Graas a isto, um satlite dito de rbita polar, com o movimento de plo a plo,

combinado com o movimento de rotao terrestre em torno de seu eixo, faz com que os

satlites de SR. cubram praticamente todas as regies do Globo (Fig. 4.A). Enquanto o

satlite realiza uma volta completa em torno da Terra (aproximadamente 100 a 103

minutos para os satlites LANDSAT e NOAA), a Terra gira, sob o satlite, um arco ao

longo do equador, de aproximadamente 3000 km, por exemplo. Portanto, rbitas

sucessivas destes satlites, tm uma distncia de aproximadamente 3000 km, uma da

outra. As faixas imageadas pelos satlites tm largura inferior a estes 3000 km, (no caso

do LANDSAT a faixa imageada de 185 km), por isto, entre passagens sucessivas do

satlite, uma grande faixa fica sem imageamento.


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Fig. 4.A. - Faixas imageadas

5.2. ESTAES DE RECEPO

Outro importante componente no processo de imageamento no est no cu. So as estaes

terrestres de recepo de imagens. Elas tm por finalidade receber e armazenar as imagens

transmitidas a partir dos satlites. So estrategicamente instaladas em locais adequados

regio que se pretende obter imagens (Fig. 4.B.).


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Fig. 4.B Parte das estaes de recepo de imagens LANDSAT (no constam dafigura: Argentina, Chile, Kenya, Monglia e outras)

A estao brasileira para recepo de imagens CBERS, LANDSAT e SPOT, cujo

principal objetivo cobrir o territrio nacional, est instalada em Cuiab MT (Fig.

4.C.). De l a estao cobre no s o Brasil, mas tambm boa parte da Amrica do Sul.

Fig. 4.C - Raio de alcance no rastreamento

Estas estaes so constitudas, basicamente, de um bom computador, com software

especfico, uma antena parablica direcionvel, cabos de conexo da antena ao

computador e mesa de controle e operao. O sistema da estao dispe, de forma

antecipada, das informaes de horrio e posio de rbita. Com base nestas

informaes a estao posiciona previamente a parablica para o ponto no horizonte

onde o satlite surgir. Feita a comunicao o sistema ajusta o sincronismo do

Uma das faixas de imageamento.


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movimento e rastreia o satlite de horizonte a horizonte. Este percurso realizado em

perodos de aproximadamente 10 a 15 minutos, para os satlites com tempo de rbita

em torno de 100 minutos. A melhor recepo dos sinais tem incio a partir de uma

elevao de 5 acima do horizonte. Durante o rastreamento a estao capta, em tempo

real, as imagens transmitidas pelo satlite e as armazena no computador. As imagens

so grandes arquivos digitais, por isto os dispositivos de armazenamento devem ter

grandes capacidades. Os satlites quase sempre tm, a bordo, dispositivos de

armazenamento temporrio de imagens, que so posteriormente transmitidas para

estaes de recepo especficas. Este recurso possibilita obter imagens de qualquer

local do Globo e captur-las minutos mais tarde em estaes de interesse, mesmo que

distante das reas imageadas.

A estao no rastreia apenas satlites que passam sobre a antena. O rastreio tambm

realizado lateralmente. O alcance da antena, para visualizao do satlite, depende da

topografia de onde a estao esteja instalada. Para regies altas e planas, as estaes

chegam a alcanar os satlites horizontalmente, em um circulo de aproximadamente

3.500 km a partir da estao, (Fig. 4.C). Obviamente, rastreios laterais tm tempo de

durao menor, consequentemente menores reas de imageamento so cobertas nestas

passagens dos satlites.

6 SENSORES

Os sensores so as mquinas fotogrficas dos satlites (Fig. 5.A). Tm por finalidade

captar a REM proveniente da superfcie terrestre, e transformar a energia conduzida

pela onda, em pulso eletrnico ou valor digital proporcional intensidade desta energia.

Segundo a fonte da energia captada, os sensores so classificados como:

Sensores Passivos

Utilizam apenas a energia natural refletida ou emitida a partir da superfcie terrestre. A

luz solar a principal fonte de REM dos sensores passivos.

Sensores Ativos

Estes sistemas utilizam energia artificial, produzida por fontes instalados nos prprios

sensores. Esta energia atinge a superfcie terrestre (ou de interesse) onde interagem com

os alvos, sendo refletidas de volta ao sensores. Uma vantagem dos sensores ativos, no


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exemplo dos radares, que as ondas produzidas por estes radares atravessam as nuvens,

podendo ser operados sob qualquer condio atmosfrica. Uma desvantagem que o

processo de interao com os alvos no capta, to detalhadamente quanto os sensores

passivos, informaes sobre as caractersticas fsicas e qumicas das feies terrestres,

quando consideramos a faixa radar.

Os sensores cobrem faixas de imageamento da superfcie terrestre, cuja largura depende

do ngulo de visada do sensor, (em ingls FOV - Field of View), (Fig. 5.2). O sensor

Thematic Mapper (TM) do satlite LANDSAT cobre uma faixa de 185 km, o sensor

Charge Copled Device (CCD) do satlite SPOT cobre uma faixa de 60 km, o sensor

AVHRR do satlite NOAA cobre uma faixa de 2700 km. Estas faixas so dispostas ao

longo da rbita e so varridas, pelo sensor, em linhas transversais ao sentido da rbita.Na varredura das linhas, dois processos so utilizados:

a) Varredura por espelho, que se baseia no princpio da tcnica de imageamento de

scanners multispectrais lineares. A REM refletida da superfcie dos objetos / alvos

inside sobre um espelho mvel de face plana, montado com um ngulo de 45 sobre um

eixo mecnico que imprime um movimento oscilatrio ao espelho, de tal forma que a

superfcie do terreno varrida em linhas perpendiculares direo de deslocamento do

satlite, permitindo o imageamento seqencial de linhas da superfcie do terreno. AREM refletida no espelho direcionada para o interior do sensor onde processada para

dar origem s imagens. Os sensores TM e AVHRR utilizam este processo;

b) Imageamento por matriz de detectores, ao invs do espelho, uma matriz de detectores

cobre toda a largura da faixa de imageamento. Os detectores so dispostos em linhas

que formam a matriz. O sensor CCD utiliza este processo. Em ambos processos a REM

decomposta em faixas denominadas bandas espectrais e as linhas so fracionadas em

pequenas parcelas quadradas da superfcie terrestre, denominadaspixel.


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Fig. 5.A. - Sistema sensor

Fig. 5.B - Processos de varredura e deteco

7. IMAGEM DIGITAL

7.1. FORMA DE ARMAZENAMENTO

Toda imagem captada pelo sensor, em formato digital, armazenada em arquivos de

computador como qualquer outro arquivo de dados. Freqentemente existem dois

arquivos para cada imagem de SR, um deles, normalmente de pequena dimenso,

destina-se s informaes de cabealho da imagem (identificao do satlite, do sensor,

data e hora, tamanho do pixel, etc.), tambm chamado de headerda imagem, e outro

que contm os valores numricos correspondentes aos pixels da imagem. A este ltimo

Fonte/Alvo


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damos a denominao de imagem digital (Fig. 6.A). Cada registro deste arquivo

corresponde a uma linha da superfcie terrestre. Os campos destes registros so todos do

mesmo tamanho e correspondem aos pixels. O valor armazenado em cada campo

proporcional intensidade da REM, proveniente da parcela da superfcie terrestre.

Um aspecto que deve tambm ser observado a dimenso do espao, normalmente em

disco de computador, ocupado por uma imagem. Este espao tem relao direta com a

quantidade de pixel e a quantidade de bandas espectrais das imagens. Por esta razo

imagens com pixels de menor dimenso cobrem conseqentemente faixas de

imageamento mais estreitas, caso contrrio, as linhas teriam uma grande quantidade de

pixels e conseqentemente a imagem poderia ter uma dimenso exageradamente

grande. Uma imagem LANDSAT, por exemplo, cobre uma rea de 180 km X 180 km,como a dimenso do pixel deste satlite de 30 m, a imagem tem 6000 linhas com 6000

pixels em cada linha. Como a imagem LANDSAT tem 7 bandas espectrais, o espao

total ocupado por uma imagem Landsat , portanto, (6000 X 6000 X 7) = 252

Megabytes.

Imagem representada matematicamente e visualmente.

x

y


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Imagem LandSat TM 2006 / Ilha dos Marinheiros

7.2. RESOLUO ESPACIAL

Cada sistema sensor tem uma capacidade de definio do tamanho do pixel, que

corresponde a menor parcela imageada (Fig. 6.2). O pixel indivisvel. impossvel

identificar qualquer alvo dentro de um pixel, pois seu valor integra todo o feixe de luz

proveniente da rea do solo correspondente ao mesmo. A dimenso do pixel

denominada de resoluo espacial. As imagens LANDSAT tm resoluo espacial de30 m, a resoluo espacial do SPOT de 20 m e a do NOAA de 1100 m. Quanto

menor a dimenso do pixel, maior a resoluo espacial da imagem. Imagens de maior

resoluo espacial tm melhor poder de definio dos alvos terrestres.

Fig. 6.A Pixel: Elementos fundamentais da imagem digital.


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OBS.: Quanto maior a resoluo do sistema sensor, menor o tamanho mnimo dos

elementos que podem ser detectados individualmente (maior o detalhamento).

7.3. RESOLUO ESPECTRAL

Como mencionado anteriormente, a REM decomposta, pelos sensores, em faixas

espectrais de larguras variveis. Estas faixas so denominadas bandas espectrais (Fig.

6.3). Quanto mais estreitas forem estas faixas espectrais, e/ou quanto maior for o

nmero de bandas espectrais captadas pelo sensor, maior a resoluo espectral da

imagem. Imagens Landsat / TM, por exemplo, tm 7 bandas: 0,45 m a 0,52 m, 0,52

m a 0,60 m, 0,63 m a 0,69 m, 0,76 m a 0,90 m, 1,55 m a 1,75 m, 2,08 m a

2,35 m, 10,4 m a 12,5 m. Existem sensores que geram imagens com centenas de

bandas espectrais.

7.4. RESOLUO RADIOMTRICA

A resoluo radiomtrica est relacionada a faixa de valores numricos associados aos

pixels. Este valor numrico representa a intensidade da radincia proveniente da rea do

terreno correspondente ao pixel e chamado de nvel de cinza. A faixa de valoresdepende da quantidade de bits utilizada para cada pixel. A quantidade de nveis de cinza

igual ao mero de bits de representao desta imagem (dois elevado a quantidade de

bits devido a representao binria). Para ilustrar, na figura abaixo os retngulos

brancos simbolizam bits desligados e os pretos bits ligados. Todos os bits desligados

correspondem ao valor 0, somente o primeiro bit ligado corresponde ao valor 1, o

segundo ligado e os demais desligados corresponde ao valor 2 e assim sucessivamente

at todos os 8 bits ligados que corresponde ao valor 255. Pode-se observar que 2 bits,


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por exemplo, possibilitam 4 combinaes possveis: os dois desligados; o primeiro

ligado e o segundo desligado; o primeiro desligado e o segundo ligado; ambos ligados.

As imagens LANDSAT e SPOT utilizam 8 bits para cada pixel, portanto, o mximo

valor numrico de um pixel destas imagens 255, so todas as combinaes possveisde bits ligados e desligados. Desta maneiro, a intensidade da REM quantificada, na

imagem LANDSAT, em valores entre 0 e 255. As imagens NOAA utilizam 10 bits,

portanto, o valor mximo do nvel de cinza de um pixel NOAA 1023. Estas tm,

portanto, resoluo radiomtrica maior que as imagens do LANDSAT e do SPOT cuja

faixas variam de 0 e 255.

Comparao da resoluo radiomtrica de uma imagem com 1 bit ( esquerda) e a

mesma imagem com uma resoluo radiomtrica de 5 bits (Fonte: Crsta, 1993).

OBS.:

a) O nmero de nveis de cinza comumente expresso em funo do nmero de

dgitos binrios (bits) necessrios para armazenar, em forma digital, o valor do

nvel mximo.


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b) O valor em bits sempre uma potncia de 2. Assim, 5 bits significam 2 elevado

na potncia 5 = 32 nveis de cinza.

c) Os satlites LANDSAT e SPOT tm resoluo radiomtrica de 8 bits, o que

significa o registro de imagens em 256 nveis de cinza.

7.5. RESOLUO TEMPORAL

A resoluo temporal de um sistema se refere ao mnimo intervalo de tempo entre a

aquisio de dois conjuntos de dados (ou duas imagens consecutivas) de uma mesma

rea. Quanto maior for o intervalo de tempo, menor a resoluo temporal.

Est relacionada ao perodo de tempo em que o satlite volta a revisitar uma mesma

rea, por exemplo. O satlite SPOT tem resoluo temporal de 26 dias, enquanto o

LANDSAT esta resoluo de 16 dias. Isto significa que o SPOT necessita de 26 dias

de rbita para reocupar uma mesma posio enquanto o Lansat demanda de 16 dias para

estar novamente sobre um mesmo local.

As passagens em dias sucessivos no so coincidentes, assim, o satlite passa a imagear

outras faixas, e s voltam a revisitar uma mesma rea aps um certo perodo de tempo,

chamado de resoluo temporal.

Esta Resoluo temporal varivel. O LANDSAT demora 16 dias para voltar a uma

mesma faixa, o SPOT demora 26 dias, o NOAA cobre uma mesma faixa quase todos os

dias, devido a sua larga faixa de imageamento. Com perodos orbitais de

aproximadamente 100 a 103 minutos, no caso do LANDSAT, do SPOT e do NOAA, os

satlites realizam 14 voltas inteiras mais uma frao de volta, em torno da Terra, em um

perodo de 24 horas. Isto significa que na rbita de nmero 15, o satlite passa um

pouco depois da primeira rbita do dia anterior. Esta defasagem das rbitas faz com que

o satlite capte imagem de todo o globo terrestre.

7.6. ONDE TER ACESSO IMAGENS DE SATLITE: PROCEDIMENTOS

PARA AQUISIO.

Uma dvida comum, para a comunidade de usurios, tem sido de como proceder para

obter uma imagem de satlite. O primeiro passo consiste em identificar as instituies


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que comercializam ou distribuem imagens. No Brasil o Instituto Nacional de Pesquisas

Espaciais (INPE), so distribuidores das imagens LANDSAT, SPOT e CBERS. O INPE

possui uma estao de recepo destas imagens em Cuiab-MT. As instituies

proprietrias dos satlites LANDSAT e SPOT cobram para disponibilizar as imagens

nas estaes, por isto o custo das mesmas relativamente alto, em torno de 400 dlares

por imagem completa, gravada em CD. Algumas empresas privadas tambm

comercializam estas e outras imagens, como por exemplo, as imagens Ikonos. As

imagens NOAA tm custo menor porque a instituio proprietria do satlite no cobra

para disponibilizar as imagens nas estaes receptoras. Vrias instituies pblicas e

privadas recebem as imagens NOAA: o INPE, o INMET, a FUNCEME, a UFRGS, etc.

A Internet um excelente meio de busca de fornecedores de imagens.

O passo seguinte definir a rea de interesse. Por exemplo, qual o municpio de

interesse e, at mesmo qual parte do municpio, caso este seja de grande dimenso

territorial. Se possvel determinar as coordenadas geogrficas da rea. O GPS pode

ajudar nesta tarefa definindo uma coordenada central ou um polgono envolvente da

rea. Dependendo da localizao e dimenso da rea uma imagem pode ser suficiente,

contudo, existem casos mesmo de pequenas reas onde h necessidade de se adquirir

vrias imagens, como na situao em que a rea esteja localizada nos cantos das

imagens. Definida a rea possvel identificar a(s) imagem(ns) a ser(em) adquirida(s), o

LANDSAT e o SPOT tm um sistema de identificao das imagens composto de 2

nmeros, o primeiro o nmero da rbita e o segundo o nmero da imagem dentro da

rbita, tambm chamado de ponto. A identificao das imagens pode ser obtida no

mapa denominado Sistema de Referncia Universal, fornecido pelo INPE. Por exemplo,

a imagem LANDSAT que cobre o DF a 221/71. A imagem pode ser adquirida inteira

ou parcialmente (Fig. 6.6). No caso do Landsat, a menor frao da imagem um sub-

quadrante de 45 km X 45 km, estes sub-quadrantes so identificados pelos nmeros de 1

a 16. Pode-se adquirir tambm quadrantes de 90 km X 90 km, que so identificados

pelas letras A, B, C, D, E, S, W, N e X. Porm o custo de um quadrante ou

subquadrante no muito diferente do de uma imagem inteira, portanto, quase sempre

vale a pena adquirir a cena completa. Cada imagem Landsat e Spot tm uma posio

fixa, porm elas podem ser adquiridas com deslocamento ao longo da rbita. O tempo


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de entrega das imagens aos usurios tem sido longo. comum esperar de 20 a 30 dias,

pelo recebimento de imagens adquiridas no Brasil.

Fig. 6.E - Caminho recepo usurio

Fig. 6.F - Quadrantes e sub-quadrantes de uma imagem Landsat

8 PROCESSAMENTO DIGITAL DE IMAGENS

O grande volume de dados, intrnseco s imagens de satlite, associado relativa

complexidade de clculos, requer expressivos recursos computacionais para o

armazenamento e tratamento das informaes do SR. A evoluo da informtica, tanto

em equipamentos como em softwares, tem propiciado estes recursos. So dispositivos


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que suportam macios volumes de dados, como os discos rgidos com muitos gigas e at

terabytes, fitas magnticas CD ROM, etc. Monitores de alta resoluo, para anlise e

visualizao de imagens em alta definio. Eficientes dispositivos de entrada, como

scanners e os leitores de fita e CD. Excelentes dispositivos de sada, como impressoras,

traadores grficos (plotters) e unidades de gravao de fita e de CD. As capacidades de

memria outro importante item no tratamento digital de imagens, pois, este recurso

agiliza substancialmente o processamento, reduzindo o tempo de espera pelo

fotointrprete. Os sistemas de processamento digital de imagens tem sido o segmento

onde se tem investido grandes recursos tcnicos e humanos, e por isto, a evoluo deste

segmento tem respondido de modo eficiente, s demandas do SR. Dentre os sistemas de

processamento digital de imagens disponveis podemos citar: SPRING, ENVI, IDRISI,

PCI, ER-MAPER, ERDAS, entre outros. Na verdade o processo evolutivo uma

corrida sem fim. Continuamente o SR vem disponibilizando imagens com maiores

volumes e complexidade de interpretao, exigindo contnua evoluo dos recursos

computacionais.

De qualquer forma, sempre conveniente investir em eficientes recursos

computacionais, para tratamento das informaes do SR, pois sempre se ganha em

qualidade e em produtividade, reduzindo substancialmente as despesas com recursos

humanos, na anlise e interpretao de imagens, que normalmente sempre o mais caro.

Uma imagem digital como j vimos, pode ser definida como sendo um conjunto de

pontos, onde cada ponto (pixel) corresponde a uma unidade de informao do terreno,

formada atravs de uma funo bidimensional f(x,y), onde x e y so coordenadas

espaciais e o valor de f no ponto (x,y) representa o brilho ou radincia da rea

correspondente ao pixel, no terreno. Tanto x e y (linha e coluna) quanto f s assumem

valores inteiros, portanto, a imagem pode ser expressa numa forma matricial, onde a

linha i e coluna j correspondem s coordenadas espaciais x e y, e o valor digital no

ponto correspondente a f, o nvel de cinza do pixel daquele ponto.

Como visto anteriormente, em imagens digitais, quanto maior o intervalo de possveis

valores do pixel, maior a sua resoluo radiomtrica; e quanto maior o nmero de

elementos da matriz por unidade de rea do terreno, maior a sua resoluo espacial. Os


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nveis de cinza podem ser analisados atravs de um histograma, que representa a

freqncia numrica ou porcentagem de ocorrncia e fornecem informaes referentes

ao contraste e nvel mdio de cinza, no fornecendo, entretanto, nenhuma informao

sobre a distribuio espacial. A mdia dos nveis de cinza corresponde ao brilho da

imagem, enquanto que a varincia refere-se ao contraste. Quanto maior a varincia,

maior ser o contraste da imagem.

8.1. PR-PROCESSAMENTO

As imagens na forma em que so recebidas originalmente dos satlites, (tambm

chamadas de imagens brutas), apresentam degradaes radiomtricas devidas a

desajustes na calibrao dos detectores, erros espordicos na transmisso dos dados,

influncias atmosfricas, e distores geomtricas. Todas estas imperfeies, se nocorrigidas, podem comprometer os resultados e produtos derivados das imagens. O pr-

processamento, que a etapa preliminar do tratamento digital de imagens, tem esta

finalidade. Normalmente o fornecedor das imagens, (INPE e empresas), se encarrega de

proceder esta tarefa, antes de entregar as imagens para o usurio. Trs tipos principais

de pr-processamento, so utilizados.

8.1.1. CORREO RADIOMTRICA

Este tratamento destina-se, a pelo menos reduzir as degradaes radiomtricas

decorrentes dos desajustes na calibrao dos detectores e erros espordicos na

transmisso dos dados. As principais correes radiomtricas so o stripping aplicado

ao longo das linhas com base em padro sucessivo, que aparecem na imagem, em

decorrncia, da diferena ou desajuste de calibrao dos detectores, e o droped lines,

aplicado entre linhas com base em padro anmalo na imagem, que ocorre pela perda de

informaes na gravao ou na transmisso dos dados.

8.1.2. CORREO ATMOSFRICA

A interferncia atmosfrica um dos principais fatores de degradao nas imagens,

muitas vezes comprometendo a anlise e interpretao das mesmas (Fig. 7.A). A

intensidade deste efeito depende do comprimento de onda, portanto, ele afeta de modo

diferente a cada uma das bandas espectrais.

A correo da imagem pode ser feita por meio de modelos matemticos baseados em

parmetros atmosfricos que normalmente so desconhecidos, dificultando a aplicao


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dos modelos. Estes parmetros devem ser obtidos na hora e data de passagem do

satlite, por meio de estaes meteorolgicas e isto um procedimento difcil.

Fig. 7.A - Interferncia atmosfrica

Na prtica utiliza-se tcnicas mais simples, que produzem resultados satisfatrios. A

tcnica do mnimo histograma uma delas, e baseia-se no fato de que, sombras de

nuvens densas e de relevo e corpos d'gua limpa, por hiptese, deveriam ter radincianula, consequentemente nveis de cinza zero (Fig. 7.B). Portanto, valores de nveis de

cinza no nulos, encontrados nestas reas so considerados provenientes de efeito

aditivo do espalhamento atmosfrico. A tcnica consiste em subtrair de cada pixel de

cada banda espectral de toda a imagem, o menor valor medido nestas reas.

Um outro mtodo alternativo de correo atmosfrica o da regresso de bandas. Este

mtodo assume que entre duas bandas altamente correlacionadas, a equao da reta de

melhor ajuste deveria passar pela origem dos eixos, caso no houvesse efeito aditivo da

atmosfera. Porm, devido a este efeito, a reta corta o eixo y em algum ponto maior que

zero. O valor da ordenada do ponto de interceptao representa o valor adicionado

devido a efeitos atmosfricos naquela banda. Este valor, que a constante da equao

da reta, subtrado da banda considerada


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Fig. 7.B - Efeito de sombras

8.1.3. CORREO GEOMTRICA

Outro tipo de distoro das imagens brutas so as chamadas distores geomtricas, que

diminuem a preciso espacial das informaes. Vrias aplicaes como a cartografia, aconfeco de mosaicos, sistemas de informaes geogrficas, a deteco e

acompanhamento de mudanas espaciais em feies terrestres, necessitam de dados

com boa preciso espacial, exigindo a correo de tais distores.

Uma das causas das distores geomtricas so as oscilaes do satlite em torno de

eixos definidos por um sistema cartesianos posicionado no mesmo, (eixos x, y, z). As

oscilaes em torno destes 3 eixos provocam desalinhamentos no processo de varredura

da superfcie terrestre, feita pelo sensor (Fig. 7.C). Estas oscilaes so identificadaspor:

a) "row", que afetam a varredura no sentido longitudinal;

b) "pitch", que provocam distores transversais no processo de varredura;

c) "yaw" que provocam distores semelhantes a um leque na disposio das linhas na

imagem.

Outros fatores provocam distores geomtricas nas imagens. A variao da altitude do


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satlite afeta a escala da imagem. A variao da velocidade do satlite provoca uma

superposio ou afastamento de varreduras consecutivas. O movimento de rotao da

Terra provoca deslocamentos laterais gradual das linhas ao longo da imagem.

Imperfeies do mecanismo de varredura do sensor, tambm provocam distores

geomtricas. Os pixels das bordas laterais da imagem tm dimenses maiores que os

pixels situados sob a rbita, isto decorre do fato de que o ngulo instantneo de visada,

que o ngulo correspondente a um pixel, (IFOV em ingls), constante ao longo da

varredura da linha, consequentemente, este ngulo cobre uma rea maior nas laterais do

que sob o satlite. Estas distores podem ser corrigidas, pelo menos parcialmente, por

meio de modelos matemticos que descrevem as distores existentes. Aps a aquisio

dos coeficientes deste modelo, uma funo de mapeamento criada para a construo

da nova imagem corrigida. Um modelo freqentemente utilizado o polinomial, cujos

coeficientes so estimados a partir de pontos de controle identificveis na imagem, e

com localizao geodsica precisamente conhecida.

Cruzamento de estradas, pontes, feies geolgicas podem ser tomados como pontos de

controle. Os pontos de controle devem ser igualmente distribudos em toda a imagem,

caso contrrio as regies com poucos ou nenhum ponto podem sofrer mais distores

ainda. importante tambm que os pontos sejam posicionados com preciso, sobre a

imagem. Um mtodo alternativo de correo geomtrica baseia-se nos dados de atitude

do satlite (posio, velocidade, altitude, dados orbitais, etc.). Este mtodo menos

trabalhoso, mas menos preciso, podendo, portanto, ser utilizado como uma aproximao

preliminar do processo de correo geomtrica


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Fig. 7.C - Oscilaes dos satlites

8.2. CLASSIFICAO DE IMAGENS

Classificao, em sensoriamento remoto, significa a associao de pontos de uma

imagem a uma classe ou grupo de classes. Estas classes representam as feies e alvos

terrestres tais como: gua, lavouras, rea urbana, reflorestamento, cerrado, etc. A

classificao de imagens um processo de reconhecimento de classes ou grupos cujos

membros exibem caractersticas comuns. Uma classe poderia ser, por exemplo, soja, umgrupo de classes poderia ser reas cultivadas.

Ao se classificar uma imagem, assume-se que objetos/alvos diferentes apresentam

propriedades espectrais diferentes e que cada ponto pertence a uma nica classe. Alm

disso, os pontos representativos de uma certa classe devem possuir padres prximos de

tonalidade, de cor e de textura. A classificao pode ser dividida em supervisionada e

no supervisionada. A supervisionada utilizada quando se tem algum conhecimento

prvio sobre as classes na imagem, de modo a permitir, ao analista, definir sobre amesma, reas amostrais das classes. Estas reas amostrais so utilizadas pelos

algoritmos de classificao para identificar na imagem os pontos representativos das

classes. A fase preliminar onde o analista define as reas amostrais denominada de

treinamento.

Dois algoritmos de classificao supervisionada bastante utilizados so osingle-celle o

maxver. A classificao no supervisionada til quando no se tem informaes

relativas s classes de interesse na rea imageada. As classes so definidas

automaticamente pelo prprio algoritmo da classificao.

A classificao tambm pode ser subdividida em determinstica e estatstica. Na

classificao determinstica (ou geomtrica), pressupe-se que os nveis de cinza de

uma imagem podem ser descritos por funes que assumem valores definidos de acordo

com a classe.


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Na classificao estatstica, assume-se que os nveis de cinza so variveis aleatrias z.

A varivel aleatria z uma funo densidade de probabilidade p(z), definida de tal

maneira que a sua varivel aleatria z esteja no intervalo (a,b).

Os algoritmos mais utilizados neste tipo de classificao so o maxver e o k-mdia. Aclassificao single-cell, apenas para ilustrar, utiliza um algoritmo que determina um

intervalo de valores de nveis de cinza para cada classe e para cada banda, atravs da

utilizao da rea de treinamento. Esse mtodo de classificao simples e de rpido

processamento computacional, entretanto, apresenta os seguintes problemas:

aproximao grosseira da assinatura espectral real dos alvos; superposio de classes

dificultando a separao destas, alm do fato de que as classes, na realidade, no se

enquadram em padres geomtricos perfeitos, levando a erros por excesso e/ou porfalta. Por excesso quando pontos de uma certa classe que na realidade no pertencem a

elas podem ser classificados como tal, por falta quando pontos de uma classe deixam de

ser classificados com tal.

8.3. REALCE DE IMAGENS

Esta tcnica modifica, atravs de funes matemticas, os nveis de cinza ou os valores

digitais de uma imagem, de modo a destacar certas informaes espectrais e melhorar a

qualidade visual da imagem, facilitando a anlise do fotointrprete. Sero apresentadas

as tcnicas denominadas ampliao de contraste e composio colorida.

8.3.1. AMPLIAO DE CONTRASTE

Esta tcnica considera que geralmente os nveis de cinza de uma cena, obtidos por um

sistema sensor qualquer, no ocupam todo o intervalo de valores possveis. Atravs de

uma transformao matemtica, o intervalo original ampliado para toda a escala de

nveis de cinza ou nmeros digitais disponveis. Por exemplo, uma imagem LANDSATna qual os nveis de cinza estejam variando de 50 a 150, pode ter sua faixa de nveis de

cinza ampliada para ocupar toda a faixa de valores possveis que de 0 a 255 (Fig. 7.D).

Embora a transformao mais comum seja a linear, pode-se implementar qualquer outro

tipo de transformao, dependendo do histograma original e do alvo ou feio de

interesse, tais como: logartmica, exponencial, raiz quadrada, etc.


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Fig. 7.D - Ampliao de contraste ( esquerda sem e direita com contraste)

8 .3.2. COMPOSIO COLORIDA

Trata-se de um dos artifcios de maior utilidade na interpretao das informaes do SR.

Ela fundamental para uma boa identificao e discriminao dos alvos terrestres. O

olho humano capaz de discriminar mais facilmente matizes de cores do que tons decinza. A composio colorida produzida na tela do computador, ou em outro

dispositivo qualquer, atribuindo-se as cores primrias (vermelha, verde e azul), a trs

bandas espectrais quaisquer. Este artifcio tambm conhecido como composio RGB

(do ingls: Red, Green, Blue). Associando, por exemplo, a banda 3 cor vermelha (R),

a banda 4 cor verde (G) e a banda 5 cor azul (B), produz-se uma composio

colorida representada por 345 (RGB) (Fig. 7.E). A formao das cores na imagem pode

A sem contraste; B com contraste.


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22 ser considerada similar ao trabalho de um pintor que tenha a sua disposio 3 latas

de tinta, uma de cada uma das cores acima. Com estas latas de tinta pintamos a imagem.

A imagem pintada pixel a pixel. Os pixels so pintados individualmente usando um

pouco de tinta de cada lata. A quantidade de tinta, de cada cor, determinada pelo nvel

de cinza do pixel, na banda associada cor. Se o nvel de cinza for 0 em uma banda,

significa que nenhuma tinta deve ser utilizada da correspondente cor. Pixels que tm

nvel de cinza igual a 0 nas 3 bandas ficam completamente sem tinta, portanto em cor

preta (ou sem cor). Se o nvel de cinza em uma banda for mximo, digamos 255,

significa que deve se utilizar o mximo de tinta da correspondente cor. Pixels que tm o

mximo valor de nvel de cinza nas 3 bandas ficam, na imagem, em cor branca intensa.

Pixels que tm o mesmo nvel de cinza nas 3 bandas ficam em tons da cor cinza, (no

confundir nvel de cinza, que o valor digital do pixel, com a cor cinza que estamos

agora utilizando). Neste caso de valores iguais dos nveis de cinza, o tom da cor cinza

ser mais escuro para valores menores e mais claro para valores maiores. A ttulo de

ilustrao, suponhamos que na composio 345 (RGB), um determinado pixel tivesse os

seguintes nveis de cinza: banda 3 = 180, banda 4 = 70 e banda 5 = 10, este pixel teria

um ton de cor mais puxado para o vermelho do que para o azul, uma vez que o valor

180 determina que se utilize muito mais tinta da cor vermelha (R) do que da cor azul

(B), que corresponde ao valor 10 da banda 5 que est associada a esta cor. O olho

humano no consegue distinguir, na tela do computador, um nico pixel de uma

imagem em resoluo plena, mas, embora pintados individualmente, eles formam, no

conjunto, a imagem colorida. A quantidade total de cores possveis de uma imagem no

computador depende da faixa de valores dos nveis de cinza. Em uma imagem

LANDSAT, por exemplo, onde a faixa de 0 a 255, tem-se 256 nveis de cinza, neste

caso, portanto, a quantidade de cores discretas na imagem 256 X 256 X 256 =

16.777.216. So 256 quantidades diferentes de tinta que se pode tirar de cada lata quepodem ser combinadas entre si.

Como os nveis de cinza de cada banda representam a assinatura espectral dos alvos, as

coloraes que as feies terrestres recebem nas imagens, representam valioso meio de

reconhecimento e de obteno de informaes, de modo indireto


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Fig. 7.E - Composio colorida

9 APLICAES

Em estudos para fins de levantamentos, monitoramento ou mapeamento, com uso de

imagens de satlites, algumas etapas devem ser seguidas, entre elas: definio dos

objetivos e da rea de estudo, reviso bibliogrfica, coleta de dados, escolha das bandas

espectrais, (veja tabela), definio da escala, aquisio de imagens e de outros produtos

necessrios, processamento (no caso de produtos digitais), anlise e interpretao visualpreliminar, trabalho de campo, processamento, anlise e interpretao visual final,

elaborao e impresso de mapas e relatrio.

O SR possibilita aplicaes em inmeras reas: agricultura, meio ambiente, geologia,

recursos hdricos, estudo de solos, florestas, etc. A ttulo de ilustrao, a seguir

apresentado um exemplo de aplicao na agricultura.


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Vrias aplicaes do SR podem ser utilizadas no campo da Agricultura: previso de

safras, mapeamento de culturas, definio de reas de aptido agrcola, zoneamento

agro-ecolgico, monitoramento de incndios em lavouras e pastagens, etc. Na previso

de safras, por exemplo, o SR pode ser utilizado em dois segmentos: no

dimensionamento das reas de plantio e na estimativa do rendimento.

No clculo da rea de plantio necessrio proceder a identificao e mapeamento das

lavouras de interesse, isto exige normalmente registro das imagens ou fotos areas, de

modo a georeferenci-las. Este georeferenciamento permite localizar e mapear lavouras,

seja dentro de propriedades ou dentro de municpios de interesse. Este

georeferenciamento necessrio no sentido de se evitar erros tais como adicionar a um

municpio reas pertencentes ao outros, ou deixar de computar em um municpio reascultivadas no mesmo. Outro tratamento necessrio no clculo das reas de plantio a

classificao, necessria para a identificao e mapeamento das culturas. O perodo das

imagens deve ser definido em funo das condies fenolgicas das culturas, das

condies de iluminao e em especial, das condies meteorolgicas. A cobertura de

nuvens tem inviabilizado o uso de imagens de satlites para mapeamento de lavouras no

Centro-Oeste brasileiro. Nos meses de janeiro, fevereiro e maro, perodo ideal para o

mapeamento, dificilmente encontra-se imagens sem cobertura de nuvens dessa regio.

Entre as informaes do SR, que podem ser utilizadas para a estimativa do rendimento,

destaca-se o ndice de vegetao (IV) (Fig. 8.A). Este ndice baseia-se no

comportamento espectral da vegetao. Em geral toda vegetao, em bom

desenvolvimento vegetativo, absorve significativamente a radiao na faixa do visvel,

como energia para o processo da fotossntese. Por outro lado, esta mesma vegetao

reflete fortemente a radiao do infravermelho. A intensidade da absoro do visvel e

da reflectncia do infravermelho mais acentuada quanto melhor estiver odesenvolvimento da planta. Devido a forte absoro, a radincia correspondente faixa

do visvel chega enfraquecida no satlite, enquanto a correspondente ao infravermelho,

fortemente refletida pela vegetao, chega com forte intensidade. Esta diferena de

intensidades captada pelo sistema sensor e registrada na imagem digital. Em

computador, por meio de operaes aritmticas simples, utilizando os nveis de cinza

dos pixels, obtm-se um valor numrico, chamado de ndice de vegetao. O IV,


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portanto reflete o estado de desenvolvimento da cultura e, consequentemente reflete a

expectativa de rendimento da mesma. O IV recomendado somente para lavouras mais

extensas, pois em lavouras de menor dimenso, pode ocorrer a mistura de vrias

culturas em um nico pixel, o que dificulta e at mesmo inviabiliza seu uso. Aestimativa da produtividade agrcola necessita de acompanhamentos freqentes,

portanto, no caso de se utilizar imagens de satlite para esta finalidade, estas devem ser

de alta resoluo temporal. Por esta razo que se tem verificado inmeros testes

utilizando imagens dos satlites NOAA, cuja freqncia de imageamento praticamente

diria.

Tabela 8.1 - Bandas Espectrais do Sensor TM e suas aplicaes


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Fig. 9.A - ndice de vegetao

10. BIBLIOGRAFIA

American Society of Photogrammetry - Manual of Remote Sensing- Falls Church 1983.

CENTENO, J. A. S. Sensoriamento Remoto e Processamento de Imagens Digitais. Curitiba: Curso de

Ps-Graduao em Cincias Geodsicas/UFPR, 2004. 209 p.

Cmara G., Davis C., Monteiro A.M.V., D'Alge J.C.L., Felgueiras C., Freitas C.C., Fonseca L.M.G.,

Fonseca F. Introduo Cincia da Geoinformao, www.dpi.inpe.br

JENSEN, J. R. Sensoriamento Remoto do Ambiente: uma perspectiva em recursos terrestres. So Jos

dos Campos: Parntese, 2009. 598 p.

MOREIRA, M. A. Fundamentos de Sensoriamento Remoto e Metodologias de Aplicao. 2ed. Viosa:

UFV, 2003. 307 p.

Novo, E. M. L. M, - Sensoriamento Remoto, Princpios e Aplicaes - Edgard Blucher, 1998.

Rosa, R. - Introduo ao Sensoriamento Remoto - EDUFU- 1995.

Schowengerdt, R. A., - Remote Sensing - Models and Methods for Image Processing, Ed. Academic

Press, 1997.

Slater, P. N. - Remote Sensing: Optics and Optical Systems - Addison-Wesley, 1980

10. ALGUNS SITES RELACIONADOS AO SR


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http://www.inpe.br

http://www.dpi.inpe.br

http://www.agespacial.gov.br/sensoriamento.htm

http://www2.ibama.gov.br/

http://www.csr.ufmg.br/

http://www.img.com.br/imagem/

http://www.cnpm.embrapa.br

http://www.intersat.com.br

http://www.engesat.com.brhttp://www.codexremote.com.br

http://www.threetek.com.br

http://terra.nasa.gov

http://www.usgs.gov/

http://eospso.gsfc.nasa.gov/

Documents

Sensoriamento_Remoto_Apostila (1)