SISTEMAS E SENSORES I

Sistema Sensor em Sensoriamento Remoto: equipamento capaz de transformar energia eletromagnética em sinal.

1. Tipos de sensores, quanto à fonte de energia:

ATIVOS: - produzem sua própria radiação. Ex.: radarPASSIVOS: - detectam a energia solar refletida ou energia emitida pelos alvos da superfície terrestre. Ex: sistemas fotográficos

SISTEMAS E SENSORES II

a) Sensores não imageadores: não fornecem imagem da superfície observada (Radiômetro de banda e Espectrorradiômetro).

2. Tipos de sensores, quanto ao tipo de transformação sofrida pela radiação detectada

Radiômetro de banda : fornece informação sobre a resposta do alvo em largas faixas do espectro eletromagnético.Espectrorradiômetros : operam em faixas espectrais estreitas. Mede a resposta do alvo de maneira aproximadamente contínua ao longo do espectro

b) Sensores imageadores: fornecem uma imagem da superfície observada. Ex: sistemas fotográficos

SISTEMAS E SENSORES III

3. Tipos de sensores, quanto ao processo de formação da imagem

a) Sistemas de quadro: adquirem a imagem de toda a cena ao mesmo tempo.

b) Sistemas de varredura: a imagem é adquirida pela aquisição seqüencial dos elementos do terreno ou pixels

RESOLUÇÃO DE IMAGENSESPACIAL: menor separação espacial entre os objetos.ESPECTRAL: número de bandas de sensores e largura das faixas espectrais de cada banda.RADIOELÉTRICA: número de níveis de cinza usados pelo sensor.TEMPORAL: intervalo de tempo entre duas passagenssucessivas do satélite.

Ex.: TM-Landsat 5Resolução espacial = 30mResolução espectral = 7 bandasResolução radiométrica = 256 níveis de cinzaResolução temporal = 16 dias

CAMPO DE VISADA INSTANTÂNEA

IFOV (Instantaneous Field Of View): Taxa de amostragemque define a resolução do sistema sensor. Este campo édefinido pelas características geométricas do sensor.

FOV (Field Of View): campo de visada da imagem como um todo. É função da altura de imageamento.

EXEMPLOS:FOV

MSS: IFOV = 80mTM: IFOV = 30m

IFOV

TAMANHO DO PIXEL EM IMAGENS

DADOSRBV / MSS (LANDSAT 1, 2, 3)

MSS / TM (LANDSAT 4, 5, 7)

DADOS DO SISTEMA DE COLETA DE DADOSDADOS DE RASTREAMENTO, TELEMETRIADE CONTROLE, DADOS DE VÍDEO

ESTAÇÃO DE PROCESSAMENTOE DISTRIBUIÇÃO DE DADOS

LANDSATPROCESSAMENTO ELETRÔNICO

PROCESSAMENTO FOTOGÁFICO

ARQUIVO DE DISTRIBUIÇÃO

AÇÃO DE RASTREAMENTO,RECEPÇÃO E GRAVAÇÃO DE DADOS DA SÉRIE LANDSAT

SATÉLITE

CUIABÁ

CACHOEIRAPAULISTA

FITAS DE ALTA DENSIDADE (MDDT)ENVIADAS POR VIA AÉREA

COMANDOS DERASTREAMENTO

SISTEMA DE AQUISIÇÃODE IMAGENS

ÓRBITAS DOS SATÉLITES

objetivo da missãocapacidade do sensor

órbitas geosíncronas/ geoestacionárias

Satélites de comunicação e meteorológicos

• observação constante da mesma porção da Terra• taxa angular que coincide com a rotação da Terra• variação completa do ângulo e intensidade solar

ÓRBITAS SINCRONIZADAS COM O SOL

Satélites de observação da Terra

• relação angular constante com a direção dos feixes solares• diferentes latitude/estações do ano => diferente ângulo solar• mesma latitude, hora solar constante => mesma iluminação

SISTEMA LANDSAT: CARACTERÍSTICAS GERAIS I

LANDSAT (Land Satellite)

O programa Landsat, com a assinatura da NASA, é um dos mais antigos que ainda se encontra em atividade e desenvolvimento.

O primeiro satélite foi lançado em 23 de julho 1972, com o nome de EarthResources Technology Satellite - ERTS-1 depois renomeado para LANDSATe o mais recente, Landsat 7, em 5 de Abril de 1999.

A informação produzida têm tido muitas aplicações, destacando-se: Agricultura, geologia, floresta, planeamento regional, educação e segurança nacional.

SISTEMA LANDSAT: CARACTERÍSTICAS GERAIS IILANDSAT 1, 2 e 3 - Sistema multispectral (MultispectralSystem Scanner - MSS)Altitude : 920 kmHorário de passagem pelo equador: 9:15Duração do ciclo de cobertura: 18 diasCena: 185km x 185kmNúmero de tons de cinza (Digital Numbers-DN)=256 (28)BANDAS (Landsat 1 e 2)

4 - 0.5 µm a 0.6 µm 5 - 0.6 µm a 0.7 µm6 - 0.7 µm a 0.8 µm7 - 0.8 µm a 1.1 µm

No Landsat 3 foi adicionada a banda 8 8 - 10,4 a12,6 µm

Resolução espacial: Landsat 1 e 2 (79m) e Landsat3 (40m)Cada cena possui 7.581.600 pixels

SÉRIE LANDSAT SÉRIE LANDSAT

LANDSAT -1, 1972 -1978, RBV & MSS sensor, 18dias/900 kmLANDSAT -2, 1975 -1982, RBV & MSS sensor, 18dias/900 kmLANDSAT -3, 1978 -1983, RBV & MSS sensor, 18dias/900 kmLANDSAT -4, 1982 - , MSS & TM sensor, 16dias/705 kmLANDSAT -5, 1984 - , MSS & TM sensor, 16dias/705 kmLANDSAT -6, 1993 - falhou depois de descolarLANDSAT -7, 1999 - , ETM sensor, 16dias/705 km

SISTEMA LANDSAT: PRIMEIRAS IMAGENSPrimeiras imagens multi-espectrais adquiridas do espaço aconteceu em 1968 na missão Apollo 9

Composição colorida banda 4 (red),banda 5 (green) e banda 7 (blue).

Sul da Califórnoa, USA

Banda 4 Banda 5 Banda 7

SISTEMA LANDSAT (TM-5)Altitude : 705 kmHorário de passagem pelo equador: 9:45Duração do ciclo de cobertura: 16 dias

BANDAS 1 - 0.45 µm a 0.52 µm 2 - 0.52 µm a 0.60 µm3 - 0.63 µm a 0.69 µm4 - 0.76 µm a 0.90 µm5 - 1.55 µm a 1.75 µm6 - 10.4 µm a 12.5 µm7 - 2.08 µm a 2.35 µm

Cena: 185km x 185km

Número de tons de cinza (Digital Numbers-DN)=256 (28)

Resolução espacial: bandas 1, 2, 3, 4, 5 e 7 (30m) banda 6 (120m)

SISTEMA LANDSAT (TM-7)Altitude : 705 kmHorário de passagem pelo equador: 9:45Duração do ciclo de cobertura: 16 diasCena: 185km x 185kmBANDAS

1 - 0.450 µm a 0.515 µm (azul-verde)2 - 0.525 µm a 0.605 µm (verde)3 - 0.630 µm a 0.690 µm (vermelho)4 - 0.750 µm a 0.900 µm (IR próximo)5 - 1.550 µm a 1.750 µm (IR médio)6 - 10.40 µm a 12.50 µm (Termal)7 - 2.080 µm a 2.350 µm (IR médio)PANCROMÁTICA - 0.520 µm a 0.900 µm

Resolução espacial: bandas 1, 2, 3, 4, 5 e 7 (30m) banda 6 (60m) e pancromática (15m)

Número de tons de cinza (Digital Numbers-DN)=256 (28)

SISTEMA LANDSAT

PRINCIPAIS APLICAÇÕES DAS BANDAS DO TM-5

Banda 1: Mapeamento de águas costeiras; Diferenciação entre solo e vegetação;Diferenciação entre vegetação coníferas edecídua.

Banda 2: Reflectância de vegetação verde sadia;Absorção da clorofila;

Banda 3: Diferenciação de espécies vegetais Banda 4: Levantamento de biomassa;

Delineamento de corpos d’águaBanda 5: Medida de umidade da vegetação;

Diferenciação entre nuvens e neveBanda 6: Mapeamento de estresse térmico em

plantas outros mapeamento térmicosBanda 7: Mapeamento hidrotermal

SATÉLITES DE OBSERVAÇÃO MARINHA

Os oceanos desempenham um papel importante na regulação climática, cobrindo cerca de dois terços da superfície terrestre.

Nimbus-7 Com um período operacional entre 1978 e 1986, o Nimbus-7 tinha a bordo o primeiro sensor desenvolvido especialmente para observação dos oceanos (CZCS- Coastal Zone Colour Scanner).

Um dos objetivos principais deste sensor era monitorar a cor e temperatura oceânica, particularmente de zonas costeiras. Desta forma seria possível detectar manchas de poluição e partículas em suspensão.

Com seis bandas espectrais este sensor tem a capacidade de diferenciar diferentes concentrações de fitoplâncton.

Banda Comprimentode onda (mm)

Parâmetro damedida primária

1 0.43 - 0.45 Absorção daclorofila

2 0.51 - 0.53

3 0.54 - 0.56 Gelbstoffe(substância amarela)

4 0.66 - 0.68

Absorção daclorofila

Concentração da clorofila

5 0.70 - 0.80 Vegetação6 10.5 - 12.50 Temp. da superficie

SPOT (Satellite Probatoire d’Observation de la Terre)

Desde o lançamento do primeiro satélite em 1986 pela Agencia Espacial Francesa que o programa SPOT pretende dar resposta ao mundo dos Sistemas de Informação Geográfica e Sensoriamento Remoto.

Com o último satélite lançado em 1998, as principais aplicações são: Agricultura, cartografia, proteção do ambiente, planejamento urbano, telecomunicações, catástrofes naturais e planejamento dos recursos renováveis.

ERS (European Remote Sensing Satellite)Desenvolvido pela Agencia Espacial Européia (ESA) o programa ERS tem como missão:

• Melhorar a compreensão das interações entre os oceanos e atmosfera;• Estudar a circulação oceânica e os mecanismos de transferência de energia;• Calcular balanços de massa do gelo Antártico e Ártico;• Monitorização da dinâmica dos processos costeiros;• Monitorização da poluição atmosférica e oceânica;• Gestão do uso do solo.

TRMM (Tropical Rain Measuring Mission)

TRRM é um projeto de colaboração entre o Japão e os Estados Unidos que começou em 1986.O objetivo é estudar as interações entre os oceanos e atmosfera bem como as suas conseqüências no clima.A informação processada contribui para modelar chuvas tropicais e a sua influencia na circulação global, melhorando as previsões.

O sensor de radar instalado a bordo dos satélites MOS-1 e JERS-1, permitem medir a distribuição vertical da precipitação ao longo dos trópicos.

EOS (Earth Observing System)

Em 1991, a NASA começou um programa de estudo da Terra como um sistema ambiental integrado, criando a “Earth Science Enterprise”.

Os primeiros satélites EOS, com o nome de Terra (AM-1) e Landsat 7, foram lançados em 1999.

O objetivo geral é compreender como se integram os diversos processos naturais, avaliando como é que o ambiente nos afeta e como podemos afetar o ambiente.

Assim, são alvo de estudo as nuvens, balanços energéticos da água, superfície terrestre, processos dos ecossistemas aquáticos, calotas polares e uso do solo.

IRS: A série de satélites IRS (Indian Remote Sensing) combina as características do Landsat MSS/TM e do sensor HRV do SPOT.A terceira geração desta série de satélites, IRS-1C, foi lançada em 1995 com três sensores:

• Pancromático de alta resolução (PAN);

• Multiespectral de quatro canais de resolução média (LISS-III);

• Multiespectral de dois canais de baixa resolução (WIFS- WideField Sensor).

A informação de alta resolução (PAN) é normalmente usada em planejamento urbano.

Os resultados do sensor LISS-III são óptimos para classificação da vegetação e dos recursos naturais.

O sensor WIFS para a monitorização regional da vegetação.

IKONOSLançado em Setembro de 1999 o satélite IKONOS-2 foi o primeiro satélite de alta resolução a competir com ortofotomapas.

As imagens IKONOS são utilizadas em:

• Planejamento agrícola;

• Planejamento urbano;

• Programas de Floresta;

• Caracterização de linhas de água, etc…

QuickBirdLançado em Outubro de 2001 o QuickBird destaca-se por ser o satélite de maior resolução disponível no mercado.

Tem como objetivo competir com a fotografia aérea tendo as seguintes áreas de aplicação:

• Mapeamento;

• Classificação do uso do solo;

• Planejamento urbano e florestal, etc...

SATÉLITES DE OBSERVAÇÃO MARINHA

MOSLançado pelo Japão em 1987 o MOS-1 (Marine Observation Satellite) Contém três sensores diferentes:

• Multiespectral de quatro canais (MultispectralElectronic Self-Scanning Radiometer -MESSR);

• Multiespectral cobrindo o espectro do visível (Thermal Infrared Radiometer -VTIR) e infravermelho térmico;

• Dois canais de micro-ondas (Microwave Scanning Radiometer -MSR)

Sensor Comprimento deonda (mm)

Resoluçãoespacial

MESSR 0.51 - 0.59 50 m0.61 - 0.69 50 m0.72 - 0.80 50 m0.80 - 1.10 50 m

VTIR 0.50 - 0.70 900 m6.0 - 7.0 2700 m

10.5 - 11.5 2700 m11.5 - 12.5 2700 m

SeaWiFSO SeaWiFS (Sea-viewing Wide-Field-ofView Sensor) a bordo do satélite SeaStar, é um sensor que cobre o espectro desde os 0.402 até 0.885 mm.

As suas principais funções são a monitorização da produtividade primária e atividade fitoplanctónica, a influencia dos oceanos nos processos climáticos, e a monitorização do ciclo do carbono, enxofre e nitrogênio.

BandaComprimentode onda (mm)

1 0.402 - 0.4222 0.433 - 0.4533 0.480 - 0.5004 0.500 - 0.5205 0.545 - 0.5656 0.660 - 0.6807 0.745 - 0.7858 0.845 - 0.885

SISTEMA DE MICRO-ONDAS - RADARES I

Radar = Radio Detectivy and Ranging (detectar e medir através de ondas de rádio)

O radar emite sua própria fonte de energia, na faixa de micro-ondas e independe da luz solar. O radar fornece informações sobre a superfície, referentes à:

rugosidade da superfícietopografiacondições de umidadevegetação

RADAR – sistema de detecção remota activo (Fornece a sua própria fonte de energia)

• “Ilumina” o terreno com energia eletromagnética

• Detecta a energia de retorno do terreno

• Registra a energia de retorno como uma imagem

Espectro eletromagnéticoEspectro eletromagnético

comprimento de onda (µm)

10-6 10 102 103 104 105 106 107 108 10910-4 10-3 10-2 10-1 110-6

visível

0.4 0.70.5 0.6 (µm)

Infra-vermelho próximo

Ultra-violeta

(1 mm) (1 m)

raios cósmicos

raios γraios X

ultravioleta-UV

visivelIV-próximo

IV-médio

IV-térmico

micro-ondas

Ondas TV e

rádio

SISTEMA DE MICRO-ONDAS - RADARES II

A natureza dos fenômenos registrados pelo imageamentopor sistemas SAR (Synthetic Aperture Radar) é, fundamentalmente, diferente daquela do VISÍVEL(VIS) e INFRAVERMELHO (IR).

Enquanto o Sensoriamento Remoto no VIS e IR mede propriedades químicas dos materiais superficiais, na região das microondas as propriedades de interesse são as físicas (rugosidade e geometria das superfícies) e as elétricas (condutividade, que por sua vez dependa da porosidade e do conteúdo em água).

Imagens no VIS/IR e SAR são complementares em termos do tipo de informação que fornecem e, sempre que possível, devem ser utilizadas em conjunto.

SISTEMA DE MICRO-ONDAS - RADARES III

Algumas das técnicas utilizadas para o processamento de imagens SAR são as mesmas das utilizadas para imagens do espectro óptico; outras foram especificamente desenvolvidas e levam em conta as características próprias das imagens SAR.

Imagens SAR são predominantemente monoespectrais, pois são geralmente adquiridas em uma única freqüência; existem porém sistemas SAR experimentais que geram imagens em múltiplas freqüências ou bandas (por ex., o SIR-C/X-SAR).

SISTEMA DE MICRO-ONDAS - RADARES IV

Programas de sistemas RADAR

RADAMBRASIL: 1971 a 1986SEASAR (EUA) - 1978 - banda L (15cm a 30cm)SIR-A (Shuttle Imaging Radar - EUA) - banda LSIR-B (EUA) - 1984 - banda LSIR-C (EUA) - 1989 - bandas C e L (C = 3.8cm a 7.5cm)ERS-1 e ERS-2 (Europa) - 1991 - banda LJERS-1 e JERS-2 (Japão) - 1992 (JERS 1) - banda L

ALMAZ (Rússia) - banda S (7.5cm a 15cm)RADARSAT (Canadá) - 1989 - banda L

Emite e recebe pulso

Sensor AtivoCapta a radiância emitida

Fonte externa de iluminação

CAPACIDADE PARA REFLETIR A SUPERFÍCIE DO TERRENO

O deserto da América do Sul-Bolivia. O Altiplano é um desertode montanha (claro)

Bacia Amazonica: A bacia são pradariasplanas (escuro)

Brilho:Brilho:VEGETAÇÃOVEGETAÇÃO

Para a L Band (λ=23.5 cm), a superfície desértica é um bom refletor, enquanto os vales baixos respondem diferentemente como uma superfície alisada.

SATÉLITES DE OBSERVAÇÃO DA TERRA

ENERGIA SOLAR: Fonte contínua; sinais paralelos sobre a superfície

RADAR: ENERGIA MICROONDAS

Fonte descontínua (intermitente); sinais gerados a partir de um ponto que se espalha num feixe angular sobre a superfície

COMPONENTES DE UM SISTEMA DE RADARCOMPONENTES DE UM SISTEMA DE RADAR

Pulse generating device: gera o sinal de microondas a intervalos de tempo síncronos. O pulsar temporizado tem 2 objetivos:

• controlar a saída de energia do transmissor• sincronizar o registro do retorno sucessivo do sinal à antena

Energia eletromagnética do transmissor: comprimento de onda e duração específica (pulse length) Tipicamente: 1,500 pulses per second.

Duplexer: previne interferências entre o sinal transmitido e recebido.

• Bloqueia o circuito de recepção durante a transmissão • Bloqueia o circuito de transmissão durante a recepção

Antena: é um refletor que transmite o sinal micro-onda e recebe a energia de retorno do terreno.

Receiver: amplifica o sinal eletromagnético captado pela antena, preservando as suas variações de intensidade. Registra o tempo de retorno do sinal, que determina a posição dos elementos no terreno.

O sinal de retorno é registrado, em meio digital: imagens

TECNOLOGIA SLARSide Looking Airborne Radar

As antenas do radar no avião estão colocadas na parte de baixo da plataforma => o feixe é orientado numa direção oblíqua à direção do vôo.

Sistema SLAR produz faixas contínuas de imagens

Foi desenvolvido nos anos 50 para reconhecimento de alvos militares. Desde finais de 60s é usado para fins civis.1967 – primeiro reconhecimento da província Darean, Panamá, 20 000 km2 (cobertura contínua de nuvens)

12

34 5 6

7

8

56

1110

6

98

7

Retorno da casa

IMAGEM

Retorno da árvore

0 8 11Com

prim

ento

do

sina

l

Distância entre o sinal transmitido e o recebido pela reflectância dos objetos – faixa de visão (slant range)

SR = ct2

topografia

SR – Faixa de visãoC – velocidade da luz (3*108 m/sec)T – tempo entre a transmissão do sinal e a recepção do eco

Resolução espacial dos sistemas SLAR: resolução num ponto do terreno

Resoluçãoda faixa devisão

Rr – Resolução noterreno

θd

θd

Rr = cτ2 cos θd

τ - duração do sinal

Escala é determinada pela velocidade do sinal

Resolução espacial dos sistemas SLAR: resolução azimutal

Escala é determinada pela velocidade do avião

βGR1

GR2

Ra = GR * β

Ra6km = 10.8 mRa12km = 21.6 m

CARACTERÍSTICAS GEOMÉTRICAS DAS IMAGENS CARACTERÍSTICAS GEOMÉTRICAS DAS IMAGENS RADARRADAR

Distorção da escalaEqualizar e manter as escalas independentes (slant e azimutal) => controle rigoroso dos parâmetros de vôo

Deslocação do declivePontos mais elevados “chegam” ao radar mais cedo que pontos na base e são registados na imagem mais cedo => efeito layover⇒Valor acrescentado para o registro de topografia

ParalaxeImagens estéreo obtidas na mesma direção mas a diferentes altitudes – inforgrametria

CARACTERÍSTICAS “ESPECTRAIS” DAS IMAGENS RADARCARACTERÍSTICAS “ESPECTRAIS” DAS IMAGENS RADAR

Rugosidade da superfície ≠ Relevo topográfico

Indica a intensidade de retorno do sinal (reflectância)

Superfície alisada: reflete toda a energia radar incidente c/ ângulo de reflexão igual ao de incidência

Superfície rugosa: espalha a energia incidente em todas as direções

Superfície intermediaria: reflete uma parte e difunde outra parte.

OBJETIVO DO PROCESSAMENTO DIGITAL DAS IMAGENS RADAR:

Correlacionar assinaturas de radar (medido como backscatter coefficient) com materiais de diferentes graus de superfície de rugosidade

EXEMPLO DE IMAGENS DO RADARSAT - 26m (15/02/1996)

Mancha de óleo produzida pelo navio-tanque "Sea Express", após um encalhe sofrido ao sul do País de Gales. Sete dias após o acidente, a imagem mostra a mancha de óleo remanescente. No acidente, entre 65000 e 70000 tonde óleo foram despejados. A mancha aparece em tom escuro em A . A foz do rio Tywi pode ser vista em B e a Baía de Carmarthen em C. Uma região com menos concentração de óleo é vista em D.

CRATERA DE IMPACTO AOROUNGADESERTO DO SAARA, CHAD

17 km

Região Amazonica

EXEMPLO DE IMAGENS DO RADARSAT EXEMPLO DE IMAGENS DO RADARSAT -- 27m (25/03/1996)27m (25/03/1996)

A cheia do A cheia do RedRed RiverRiver, em , em ManitobaManitoba, Canadá. A mancha , Canadá. A mancha escura apresentada em A escura apresentada em A evidencia a região evidencia a região alagada, que contrasta alagada, que contrasta com as áreas secas ao com as áreas secas ao redor, vistas em tons redor, vistas em tons mais claros em C. Quando a mais claros em C. Quando a água encontraágua encontra--se sob as se sob as árvores ou arbustos, criaárvores ou arbustos, cria--se se uma situação onde o feixe uma situação onde o feixe radar é fortemente radar é fortemente refletido, como visto em refletido, como visto em B e D. A cidade de B e D. A cidade de MorrisMorrisé identificada como um é identificada como um retângulo claro em E. retângulo claro em E.

EXEMPLO DE IMAGENS DO RADARSAT - 27m (25/03/1996)

As núvens nãoimpedem acoleta de dados.Percebem-se diversostipos de culturasagrícolas.

SENSOR ÓPTICO X RADAR

Operação diurna Operação diurna ou noturna

Dependência das condições climáticas

Independência das condições climáticas

Ruído Aditivo Ruído Multiplicativo

O CONCEITO DO AVIRIS

Early Bird Pan - 3 meter Early Bird XS - 15 meter

Quick Bird Pan - 0.82 meter Quick Bird XS - 3.3 meter

Early BirdEarly Bird

Denver, Colorado

CARTERRA High-ResolutionIKONOS -1 ( 1 & 4 meters )

Rochester, New YorkSan Francisco, CaliforniaSan Francisco, California

PANCROMÁTICA MULTIESPECTRAL HIPERESPECTRAL ULTRAESPECTRAL

Comparação de Tecnologias Espectrais

PANCROMÁTICA

ULTRAESPECTRAL

MULTIESPECTRAL

HIPERESPECTRAL

400nm 2500nm1000 20001500

400nm 2500nm1000 20001500

BANDAS

UMADEZENAS

CENTENAS

MILHARES0.4µm 2.5µm1.0 2.01.5

0.4µm 2.5µm1.0 2.01.5