UNB_Introducao Ao Processamento de Imagens

7/26/2019 UNB_Introducao Ao Processamento de Imagens

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PAULO ROBERTO MENESES

TATI DE ALMEIDA

(Organizadores)

INTRODUO AO PROCESSAMENTO

DE IMAGENS DE SENSORIAMENTO REMOTO

BRASLIA 2012


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Autores

Paulo Roberto Meneses (organizador)Professor Titular do Instituto de Geocincias da Universidade de Braslia, graduado emGeologia pela Universidade de Braslia (1973), com mestrado em Sensoriamento Remoto

pelo INPE (1976) e doutorado em Geologia pela USP em [email protected]

Tati de Almeida (organizadora)Professora Adjunta do Instituto de Geocincias da Universidade de Braslia, graduada emGeologia pela Universidade Estadual Paulista Jlio de Mesquita Filho (1998), com mestradoem Geocincias pela Universidade Estadual de Campinas (2000) e doutorado em Geologia

pelo Instituto de Geocincias da UnB em 2009.e-mail [email protected]

Antonio Nuno de Castro Santa RosaProfessor Associado do Instituto de Geocincias da Universidade de Braslia, graduado emMatemtica na Universidade da Amaznia (1984), com mestrado em Geofsica pelaUniversidade Federal do Par (1989), doutorado em Geofsica pela Universidade Federal doPar (1996) e ps-doutorado em Computao Aplicada pelo Instituto Nacional de PesquisasEspaciais (2001).e-mail [email protected]

Edson Eyji SanoPesquisador Senior da Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuria, graduado em Geologia

pela Universidade de So Paulo (1983), com mestrado em Sensoriamento Remoto pelo INPE

(1987) e doutorado em Cincias do Solo pela Universidade do Arizona, EUA (1997).e-mail [email protected]

Edilson Bias de SouzaProfessor Adjunto do Instituto de Geocincias da Universidade de Braslia , graduado emGeografia pelo Centro Universitrio de Braslia (1994), com mestrado em Geocincias eMeio Ambiente pela Universidade Estadual Paulista Jlio de Mesquita Filho (1998) edoutorado em Geografia pela Universidade Estadual Paulista Jlio de Mesquita Filho (2003).e-mail [email protected]

Gustavo Macedo de Mello Baptista

Professor Adjunto do Instituto de Geocincias da Universidade de Braslia, graduado emGeografia pela Universidade de Braslia (1994), com mestrado em Tecnologia Ambiental eRecursos Hdricos pela Faculdade de Engenharia Civil da Universidade de Braslia (1997) edoutorado em Geologia pelo Instituto de Geocincias da UnB (2001).e-mail [email protected]

Ricardo Seixas BritesProfessor Adjunto do Instituto de Geocincias da Universidade de Braslia , graduado emEngenharia de Agrimensura pela Universidade Federal de Viosa (1981), com mestrado emCincias Florestal pela Universidade Federal de Viosa (1990) e doutorado em CinciaFlorestal pela Colorado State University / Universidade Federal de Viosa (1995).

[email protected]


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APRESENTAO

No decorrer das ltimas quatro dcadas o nosso planeta Terra comeou a ser olhado evistoriado por sensores imageadores que, praticamente, capturam tudo que est presente nasuperfcie terrestre ou que nela est se modificando. E isso est sendo feito com o explcito

objetivo de se obter imagens peridicas que possibilitem a monitorao do meio ambientenuma escala global e a obteno de melhores informaes acerca dos recursos naturaisrenovveis e no renovveis. Nessa tarefa, o engajamento de pesquisadores nos estudos douso e aplicao do sensoriamento remoto, logo no incio dos anos de 1970, quando essa novatecnologia foi apresentada, foi decisivo para tornar o Brasil num dos maiores usurios dosensoriamento remoto do mundo. Iniciada por um grupo de jovens pesquisadores do INPE eincorporada, logo a seguir, pelas universidades brasileiras, hoje o ensino do sensoriamentoremoto componente de vrios cursos universitrios, num espectro amplo que vai dascincias naturais da Terra, computao, urbanismo, engenharia civil, geotecnia, cartografia,ordenamento territorial, agricultura, geologia, defesa civil e muitas outras. Por ter essamarcante caracterstica de multidisciplinaridade, tornou-se comum nas salas de aulas de

disciplinas que abordam o sensoriamento remoto, o convvio de alunos de vrios cursos degraduao ou de ps-graduao.

Mas, independente de qual seja o uso das imagens devemos, obrigatoriamente, passarpela experincia de como ler os dados digitais das imagens e process-los. O incrvelaumento na acessibilidade a computadores, combinado com o desenvolvimento de programasamigveis e de interfaces grficas versteis com o usurio, tornou essa tarefa bem mais fcildo que quando as primeiras imagens de satlites s podiam ser lidas por especialistas emcomputao, em computadores que tomavam o espao de uma sala. Hoje em dia, os atuais

programas para processamentos de imagens de sensoriamento remoto no requerem dosusurios habilidades em computao. O que se tornou mais importante o entendimento arespeito da formulao matemtica ou estatstica do algoritmo, dos vrios mtodos para o

processamento das imagens e das transformaes que nelas so processadas, para quepossamos melhor extrair todo o contedo de informao contida nas imagens, que nemsempre facilmente percebida pelo intrprete.

Esse o objetivo deste livro, escrito numa linguagem tcnica simples, direcionada aestudantes de graduao ou queles que esto iniciando no sensoriamento remoto, qualquerque seja a rea de sua formao. Por isso, os autores se preocuparam mais em demonstrar,

para cada tipo de tcnica de processamento, como o operador transforma a imagem pararealar a sua visualizao na tela do computador ou como ordenar e classificar os dados paraconstruir um mapa digital temtico, com o mnimo necessrio da compreenso das funesmatemticas e estatsticas. Pretendemos que este livro contribua para orientar o trabalho de

preparao de aulas dos professores que se dedicam ao ensino de sensoriamento remoto, bemcomo, possa cumprir a funo de ser um material de consulta e estudo a todos os estudantesque se interessam por essa rea.

Embora seja um livro de processamento de imagens, os primeiros quatro captulosabordam fundamentos de sensoriamento remoto e descries dos tipos de sensores queoperam nas faixas espectrais do visvel s micro-ondas. Assim foi feito, porque antes de seiniciar o processamento de uma imagem, necessrio que saibamos sobre uma srie deinformaes de como as imagens so obtidas e de alguns detalhes de suas caractersticas.Esses captulos so apenas uma pequena sntese sobre o sensoriamento remoto, com umcontedo focado nas informaes mais relevantes para o processamento da imagem.

A principal inteno dos autores, de colocar essa obra no formato de e-book, foi a de

possibilitar aos estudantes o livre acesso, sem custos, a uma fonte de publicao para oacompanhamento de suas aulas nas disciplinas de processamento de imagens de


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sensoriamento remoto. Esperamos que este livro possa inspirar o interesse e o entusiasmodesses estudantes.

Os autores so profundamente agradecidos Profa. Maria Ana Bretanha JunkerMenezes pela reviso ortogrfica do texto.

Paulo Roberto MenesesTati de Almeida


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Contedo

1. Princpios do Sensoriamento Remoto1.1 Histria Inicial 11.2 Definio de Sensoriamento Remoto 3

1.3 Natureza da Radiao Eletromagntica 41.3.1 Modelo ondulatrio 4

1.3.1.1 Interao macroscpica da radiao eletromagnticacom os objetos 6

1.3.2 Modelo corpuscular 81.3.2.1 Interao microscpica da radiao eletromagntica

com os objetos 91.3.3 Manifestao conjunta das interaes macroscpicas

e microscpicas 101.4 Fontes de Radiao Eletromagntica 111.5 Interferncias Atmosfricas 141.6 Espectro Eletromagntico 181.7 Conceitos de Radincia e de Reflectncia 211.8 Resolues das Imagens 24

1.8.1 Resoluo espacial 251.8.2 Resoluo espectral 271.8.3 Resoluo radiomtrica 301.8.4 Resoluo temporal 31

2. Sensores Imageadores Multiespectrais na Faixa ptica (0,452,5m)2.1 Das Fotos Areas s Imagens Multiespectrais 34

2.2 Mecanismos de Imageamento Multiespectral 362.2.1 Sensores de varredura mecnica (whiskbroom) 362.2.2 Sensores de varredura eletrnica (bushbroom) 38

2.3 As Informaes Contidas nas Imagens Multiespectrais da Faixa ptica 392.3.1 Interao da luz solar com os materiais 41

3. Sensores Imageadores na Faixa Termal (814 m)3.1 Temperatura e Calor 473.2 Leis Fsicas da Radiao Termal 493.3 Emissividade 513.4 Temperatura Cintica versusTemperatura Radiomtrica 54

3.5 As Imagens do Termal 55

4. Sensor Radar de Abertura Sinttica4.1 Imageamento Lateral 57

4.2 Polarizao da Onda 614.3 Geometria de Iluminao 624.4 Resoluo Espacial 63

4.4.1 Resoluo em alcance (range) 634.4.2 Resoluo azimutal 64

4.5 Radar deAbertura Sinttica 664.6 Distores Geomtricas 67

4.7 Rudo Speckle 694.8 Interao do Pulso de Radar com as Superfcies dos Objetos 70


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4.8.1 Em relao ao comprimento de onda 704.8.2 Em relao direo de visada 734.8.3 Em relao ao ngulo de incidncia local 74

4.9 Constante Dieltrica 744.10 Interferometria 76

5. Formatos de Imagens de Sensoriamento Remoto5.1 Imagem Digital 775.2 Formatos de Arquivos 795.3 Formatos de Salvamento 80

6. Distores e Correes dos Dados da Imagem6.1 O que Processamento de Imagens 826.2 Pr-processamento de Imagens Digitais 84

6.2.1 Eliminao de rudos 856.2.2 Correo atmosfrica 87

6.2.2.1 Subtrao do escuro (dark subtraction) 886.2.3 Correes das distores geomtricas89

6.2.3.1 Correo geomtrica 906.2.3.2 Georreferenciamento 946.2.3.3 Avaliao dos erros da transformao polinomial 966.2.3.4 Reamostragem 100

7. Ampliao Histogrmica de Contraste7.1 Introduo 1037.2 Representao Histogrmica da Imagem Digital 1057.3 Expanso Linear por Saturao 1087.4 Expanso Linear por Partes 1117.5 Expanso por Equalizao 1137.6 Expanso Gaussiana 1177.7 Funo Raiz Quadrada 118

8. Modelos de Cores Aplicados s Imagens8.1 Cor 1218.2 Fatiamento de Histograma 1238.3 Espao de Cor RGB 123

8.4 Espao de Cor IHS 1298.5 Fuso de Imagens 134

9. Aritmtica de Bandas9.1 As Operaes Aritmticas 1389.2 Soma 1399.3 Multiplicao 1419.4 Subtrao 1429.5 Diviso

9.5.1 ndice de vegetao 1479.5.2 ndice de gua 150

9.5.3 ndice de minerais 152


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10. Transformao por Rotao Espectral.10.1 Correlaes de Bandas 15410.2 Transformaes por Principais Componentes 15510.3 Descorrelao de Bandas 164

11. Filtragem11.1 Introduo 16811.2 Filtro Passa-Alta 17211.3 Filtro Passa-Baixa 174

11.3.1 Filtro passa-baixa de mdia 17411.3.2 Filtro de mediana 175

11.4 Filtros de Bordas Direcionais 17611.4.1 Linear 177

11.4.2 Primeira derivada 17711.5 Operadores Laplacianos 179

11.6 Filtros Morfolgicos 18111.7 Filtro de Textura 18211.8 Filtragem no Domnio da Frequncia 185

11.8.1 Amostragem 186

12. Classificao Pixel a Pixel de Imagens12.1 Introduo 19112.2 Princpio Bsico de Classificao de Imagens 19312.3 Classificao No-supervisionada 195

12.3.1 Isodata 19512.3.2 K-mdias 197

12.4 Classificao Supervisionada 19812.4.1 Paraleleppedo 19812.4.2 Distncia mnima 20112.4.3 Mxima-Verossimilhana 20212.4.4 Distncia Mahalanobis

12.5 Validao da Classificao 206

13. Classificao por Regio13.1 Segmentao de Imagens 20913.2 Como se d a Classificao por Regio 213

13.3 Descries dos Tipos de Classificadores 21513.3.1 Isoseg 21513.3.2 Bhattacharayya 216

13.3.3 Clatex 21713.4 Classificao Usando o Algoritmo Bhattacharyya 217

14. Processamento de Dados Hiperespectrais14.1 Introduo 22114.2 Correo Atmosfrica dos Dados 22214.3 Bibliotecas Espectrais 22514.4 Identificao de Endmembers 231

14.5 Medies de Intensidade das Feies Espectrais 234


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15. Imagens de Alta Resoluo Espacial15.1 Introduo 23915.2 Implicaes da Resoluo Espacial nas Anlises do Espao Urbano 23915.3 A Ttulo de Exemplo 243

15.4 Imagens de Alta Resoluo e Possibilidades para oMapeamento Cartogrfico 24815.4.1 O Mercado Atual de Imagens de Alta Resoluo 249

15.5 Erro Grfico e Escala 25415.6 Relao entre Erro Grfico e Escala 25415.7 Custo da Gerao de uma Base Cartogrfica 255

Referncias Bibliogrficas 258

ndice Alfabtico 264


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PREFCIO

A disseminao do conhecimento em muitas reas da cincia enfrenta uma dificuldade

histrica em nosso pas. Trata-se da existncia limitada, ou at mesmo da ausncia, de livros-texto com contedo atualizado em lngua portuguesa. nesse cenrio que surge estaimportante obra, organizada por Paulo Roberto Meneses e Tati de Almeida, ambos docentesda Universidade de Braslia, enfocando o processamento de imagens de sensoriamentoremoto.

Escrita em conjunto com outros especialistas no tema, da UnB e da Embrapa, a obravem preencher essa lacuna com brilhantismo, oferecendo a estudantes de graduao e de ps-graduao, assim como a docentes e pesquisadores, o acesso a conceitos, princpios emtodos do processamento de imagens de sensoriamento remoto. A opo dos autores porima linguagem simples, porm sempre rigorosa quanto aos aspectos tcnico-cientficos dastcnicas abordadas, tem a grande vantagem de torn-lo acessvel a esses pblicos diversos.

Com isso, os autores buscam transmitir o conhecimento sobre a aplicao das tcnicasdigitais de processamento para a gerao de informaes a partir da anlise de imagens desensoriamento remoto.

O livro abrange desde os fundamentos do sensoriamento, passando pela descrio decomo operam os sensores e como so adquiridas as imagens, e chegando aos vrios conjuntosde tcnicas empregadas na extrao de informaes a partir de imagens coletadas pelossensores nas diversas regies do espectro eletromagntico. Por meio de captulos dedicados, olivro aborda tcnicas especficas de processamento de imagens geradas por sensores queempregam tecnologias de alta resoluo espacial e espectral.

Outro aspecto do livro digno de destaque o seu formato eletrnico (e-book). Essainovao, plenamente compatvel com o momento em que vivemos, possibilita o acesso livree gratuito obra. Essa atitude louvvel dos autores ter certamente impacto significativo paraa disseminao dos conhecimentos contidos na obra, levando-os diretamente para as salas deaula, laboratrios, bibliotecas e ambientes de trabalho.

Por todos esses aspectos, parabenizo os organizadores e autores da obra, expressandoa certeza de que ela ser uma referncia de fundamental importncia para a comunidade delngua portuguesa do sensoriamento remoto.

lvaro Penteado Crsta


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Introduo ao Processamento de Imagens de Sensoriameto Remoto 1

PRINCPIOS DE SENSORIAMENTO REMOTO

Paulo Roberto Meneses

1.1Histria Inicial

Sensoriamento remoto, termo cunhado no incio dos anos de 1960por Evelyn L. Pruite colaboradores, uma das mais bem sucedidas tecnologias de coleta automtica de dados

para o levantamento e monitorao dos recursos terrestres em escala global.Atualmente, a resoluo espectral das imagens obtidas pelos sensores imageadores j

ultrapassa centenas de bandas, e a resoluo espacial de muitas imagens j maior que 1metro, possibilitando suas aplicaes nas reas de levantamentos de recursos naturais emapeamentos temticos, monitorao ambiental, deteco de desastres naturais,desmatamentos florestais, previses de safras, cadastramentos multifinalitrios, cartografia de

preciso, defesa e vigilncia, entre outras. O acelerado avano com que o sensoriamentoremoto se desenvolveu em poucas dcadas deve-se revoluo nos meios de se observar Terra numa escala global e peridica, e na rapidez da monitorao dos fenmenos dinmicose das mudanas das feies terrestres. uma tecnologia empregada em escala mundial e que,talvez, rena a maior diversidade de pesquisadores e usurios, em torno de uma tecnologia deaplicao.

O Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais - INPE teve uma ao decisiva naconsolidao do sensoriamento remoto como uma tecnologia de uso em escala nacional,

projetando o Brasil como a nao pioneira no hemisfrio sul a dominar essa tecnologia.Mesmo antes do lanamento do primeiro satlite de sensoriamento remoto em 1972, o INPEse destacava como uma das primeiras instituies, na rea espacial, a investir em pesquisas desensoriamento remoto, como exemplo a Misso 96, um projeto executado em colaboraocom a NASA, que realizou um levantamento experimental aerotransportado com diversostipos de sensores imageadores na regio do Quadriltero Ferrfero, em Minas Gerais.Formador na dcada de 1970 dos primeiros pesquisadores especializados em sensoriamentoremoto, contribuiu decisivamente para o desenvolvimento das metodologias de interpretaode imagens e de processamento digital, e na disseminao do uso de imagens de satlite por

todo o territrio nacional.A origem do sensoriamento remoto nos anos de 1960 deve-se ao espetaculardesenvolvimento da rea espacial nesses anos, que ficou conhecida como a dcada da corridaespacial. Foi nesse perodo que se viu o mais rpido desenvolvimento de foguetes lanadoresde satlites, que possibilitou colocar no espao satlites artificiais para vrias finalidades. Ossatlites meteorolgicos foram os pioneiros e, por meio deles, quase que de uma maneiraacidental que o sensoriamento remoto deu os seus primeiros passos. O primeiro dessessatlites meteorolgicos foi o TIROS-1 (Television IR Operational Satellite), lanado em1960 pelos Estados Unidos. Alm dos padres de cobertura de nuvens, as imagens do TIROSmostravam, embora com pouca nitidez, algumas feies da superfcie da Terra, que pela

primeira vez demonstraram ser possveis de serem vistas do espao. Melhoramentos dos

subsequentes sensores dos satlites meteorolgicos deram a oportunidade para iniciar os

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primeiros estudos mais detalhados de feies terrestres de reas de coberturas de neves, gelospolares, guas ocenicas e cadeias de montanhas.

A dcada de 1960 foi, tambm, a dcada em que o homem pde ir ao espao emsatlites tripulados e de l observar a Terra e tomar as primeiras fotos da superfcie terrestre,usando cmeras fotogrficas manuais. Foram essas experincias realizadas pelos programas

espaciais tripulados Mercury, Gemini, e Apollo, que asseguraram o futuro do sensoriamentoremoto. A misso GT-4 do programa Gemini foi o primeiro programa fotogrfico espacialcom o objetivo especfico para estudos geolgicos. Interpretaes dessas fotos em preto e

branco e coloridas, na escala de 1:350.000, descobriram novas feies geolgicas que noconstavam nos mapas geolgicos em escalas maiores, de 1:250.000. A partir do sucesso damisso GT-4 foram includos no programa Apollo experimentos controlados envolvendo aaquisio de fotografias multiespectrais, usando um conjunto de quatro cmeras Hasselblad,munidas cada uma de filmes pancromticos com filtros vermelho e verde e filmesinfravermelhos. Foi dessa maneira que se obteve a primeira imagem multiespectral da Terra.O satlite americano Corona e o sovitico Zenit, lanados no final dos anos de 1960, foram asltimas misses espaciais fotogrficas.

Os excelentes resultados desses programas espaciais impulsionaram as pesquisas paraa construo de novos equipamentos capazes de fotografar Terra, mas no com o uso decmeras fotogrficas, visto que a substituio de filmes no espao seria algo impossvel de sefazer. Esses equipamentos deveriam ter a capacidade de recobrir a superfcie terrestre e dearmazenar ou transmitir para Terra os dados coletados. A nica possibilidade para fazer issoera obter os dados em formatos digitais, usando-se equipamentos eletrnicos.

Da metade para o final da dcada de 1960 esses equipamentos comearam a sertestados em aeronaves como programas de simulao, para serem posteriormente instalados a

bordo de satlites. Eles receberam o nome de sensores imageadores, em razo do processo decobertura do terreno ser feito na forma de varredura linear do terreno e no por ummecanismo de tomada instantnea de rea, em quadro, como feito com cmerasfotogrficas. Por isso, o produto gerado por esses novos sensores recebeu a denominao deimagem, a fim de diferenci-lo pelo seu processo de aquisio, das tradicionais fotos areas.Outra importante diferena dos sensores imageadores foi a capacidade de obterem imagenssimultneas em vrias faixas do espectro eletromagntico.

A despeito das diferenas dos mecanismos de aquisio entre as imagens de satlite eas fotos areas, notamos que so produtos que guardam muitas semelhanas, pelo fato deterem a mesma finalidade, que a de retratar os objetos ou fenmenos da superfcie terrestre.As vantagens de um sobre o outro so vrias, mas apenas para justificar o que impulsionou ouso dos sensores imageadores por satlites, pode-se citar a sua capacidade de imagear emcurto espao de tempo toda a superfcie do planeta e de uma maneira sistemtica, dado que

um satlite fica continuamente orbitando Terra. Essa forma de cobertura repetitiva, obtendoimagens peridicas de qualquer rea do planeta, propicia detectar e monitorar mudanas queacontecem na superfcie terrestre. Essa a principal razo pela qual as imagens de satlites

passaram a ser a mais eficiente ferramenta para uso nas aplicaes que envolvem anlisesambientais dos diversos ecossistemas terrestres.

A perfeita combinao dessas duas tecnologias, satlites artificiais e sensoresimageadores, talvez tenha sido um dos maiores benefcios at hoje presenciado pelodesenvolvimento tecnolgico a servio do levantamento dos recursos naturais terrestres.

Um marco importante que deu incio era do sensoriamento remoto moderno foi olanamento pelos Estados Unidos, do primeiro satlite de sensoriamento remoto, ERTS-1,

posteriormente renomeado para Landsat 1, colocado em rbita em 1972 a cerca de 919 km de

altura. O sensor imageador multiespectral desse primeiro satlite de sensoriamento remotopossibilitava a obteno simultnea de quatro imagens nas faixas do espectro do visvel e do


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infravermelho prximo e uma imagem no termal, portanto alm do que era possvel com ouso de filmes fotogrficos. A largura da rea imageada na Terra por cada rbita do satlite erade 185 km, o que permitia uma viso sintica, at ento, impossvel de ser obtida com ascmeras fotogrficas areas. A cada 18 dias uma nova imagem com resoluo espacial de 76metros era obtida de qualquer rea do planeta.

Do programa americano Landsat seguiram-se outros, europeus, canadenses, asiticose sul americanos, cada um procurando atender, cada vez mais, necessidades especficas, quersejam em funo das caractersticas geogrficas das diversas regies terrestres ou em funodas suas aplicaes. Atualmente, h em circulao no espao dezenas de sensores orbitaisimageando a superfcie da Terra em todas as faixas espectrais possveis, com os maisvariados parmetros de resoluo espacial e temporal. De um lado h os sensoreshiperespectrais com centenas de bandas espectrais (centenas de imagens) e do outro, h ossensores de alta resoluo espacial, capazes de detectar objetos na superfcie da Terra,menores que 50 cm. E para atravessar a opacidade das nuvens, muito frequente em regiescomo a Amaznia, h os sensores de radar com as suas fontes artificiais de radiaoeletromagntica que fazem das nuvens um objeto transparente.

1.2Definio de Sensoriamento Remoto

Historicamente, reconhece-se que o termo Sensoriamento Remoto foi criado paradesignar o desenvolvimento dessa nova tecnologia de instrumentos capaz de obteremimagens da superfcie terrestre a distncias remotas. Por isso, a definio mais conhecida ouclssica de sensoriamento remoto : Sensoriamento remoto uma tcnica de obteno deimagens dos objetos da superfcie terrestre sem que haja um contato fsico de qualquer

espcie entre o sensor e o objeto.A condio principal imposta por essa definio clssica, que o sensor estar a umadistncia remota do objeto, estabelece a base para definir o sensoriamento remoto numaconcepo um pouco mais cientfica, que regida segundo os seguintes preceitos:i) exigncia: ausncia de matria no espao entre o objeto e o sensor;ii) consequncia: a informao do objeto possvel de ser transportada pelo espao vazio;iii) processo: o elo de comunicao entre o objeto e o sensor a radiao eletromagntica, anica forma de energia capaz de se transportar pelo espao.

Com base nesses preceitos, uma definio mais cientfica que se pode dar aoSensoriamento Remoto seria: Sensoriamento Remoto uma cincia que visa odesenvolvimento da obteno de imagens da superfcie terrestre por meio da deteco e

medio quantitativa das respostas das interaes da radiao eletromagntica com osmateriais terrestres.

Essa definio de sensoriamento remoto explcita em afirmar que o objeto imageado registrado pelo sensor por meio de medies da radiao eletromagntica, tal como a luzsolar refletida da superfcie de qualquer objeto. Nenhum outro tipo de sensor que obtenhaimagens que no seja pela deteco da radiao eletromagntica deve ser classificado comosensoriamento remoto. A confuso mais comum feita com os sensores geofsicosaerotransportados, tais como os magnetmetros, que geram uma imagem a partir medies decampos de fora do campo magntico da superfcie terrestre, portanto sem nenhuma relaocom a energia eletromagntica.

Por outro lado existe a errnea concepo de apenas considerar como sensoriamento

remoto as imagens obtidas de satlites, visto que o termo foi criado quando a era espacial deuincio. As fotografias areas, que por mais de um sculo vm sendo usadas como uma forma


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de observar a Terra so, obrigatoriamente, uma classe de sensores remotos. O filmefotogrfico foi o primeiro material construdo pelo homem capaz de registrar a radiaoeletromagntica e de transform-la na imagem do objeto fotografado.

A partir da definio de sensoriamento remoto fica bvio que s se pode entender oprocesso de aquisio e de anlise das imagens, se conhecermos primeiro o que a radiao

eletromagntica - REM.

1.3Natureza da Radiao Eletromagntica

A explicao do que a radiao eletromagntica (REM) comea com o entendimentoda dualidade do comportamento da sua natureza: onda e energia. Isso quer dizer que a REMque se propaga pelo espao vazio, como a luz solar, , ao mesmo tempo, uma forma de ondae uma forma de energia. Esse conceito de dualidade extremamente importante para osensoriamento remoto, pois sempre que algum estiver analisando qualquer tipo de imagemde sensoriamento remoto, a coexistncia da radiao eletromagntica na forma de onda e naforma de energia dever ser considerada para que se possa explicar tudo o que se observa nasimagens com referncia s caractersticas dos objetos. A dualidade do comportamento daradiao eletromagntica, onda e energia, formulada pelos modelos denominados deondulatrio (onda) e corpuscular (energia).

1.3.1Modelo Ondulatrio

Segundo o modelo ondulatrio, a REM pode ser explicada como uma forma de ondasenoidal e harmnica. De acordo com as formulaes de Maxwell, uma partcula carregadaeletricamente gera um campo eltrico em torno de si e o movimento dessa partcula gera, porsua vez, um campo magntico. Ambos os campos, eltrico e magntico, atuam vibrandoortogonalmente entre si e possuem as mesmas amplitudes, isso , alcanam os seus mximosao mesmo tempo. As variaes do campo so causadas pelas vibraes da partcula. Quandoessa partcula acelerada, as perturbaes entre os dois campos se propagam repetitivamenteno vcuo em uma direo ortogonal direo dos campos eltricos e magnticos, como mostrado na Figura 1.1. Essas perturbaes dos campos eltrico (E) e magntico (M) sochamadas de ondas eletromagnticas. O comprimento da radiao eletromagntica dependede quanto tempo a partcula acelerada, e a frequncia da radiao depende da freqncia

de vibrao da partcula. Assim, define-se uma onda eletromagntica como a oscilao doscampos E e M, segundo um padro harmnico de ondas, isso , ondas espaadasrepetitivamente no tempo. Esses campos dinmicos sempre ocorrem juntos como padresinseparveis, de modo que nem campo eltrico puro, nem campo magntico puro de ondasirradiadas ocorrero separadamente um do outro.

As ondas eletromagnticas propagam-se no vcuo na velocidade da luz (c=299.292,46 km/s ou aproximadamente 300.000 km/s). Se for medida a distncia entre dois

picos sucessivos de ondas (Figura 1.1), determina-se o comprimento ou tamanho da onda,que simbolizado pela letra grega e expresso no sistema de unidades mtricas. As ondas

podem ter comprimentos da ordem de bilionsimo de metro (raios csmicos), at dimensesde quilmetros (ondas de rdio).


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Fig. 1.1- Direo de propagao da radiao eletromagntica na forma de uma onda, em funo das oscilaesortogonais dos campos magntico (M) e eltrico (E).

Se medirmos o nmero de picos de ondas que passa por um ponto fixo de refernciano espao, podemos determinar a sua frequncia . Como a velocidade de propagao daonda constante, as ondas com comprimentos menores tm frequncias maiores, ou seja, ummaior nmero de ondas passa pelo ponto de referncia num dado tempo. Inversamente, as decomprimentos maiores tm frequncias menores. Da fsica clssica a seguinte relao entre ocomprimento de onda e a freqncia exprime a lei do comportamento ondulatrio:

eq.1.1

Por costume de uso, em sensoriamento remoto sempre nos referimos radiaoeletromagntica pelo seu comprimento e no pela sua frequncia. Por exemplo, a radiaoeletromagntica equivalente luz solar azul de comprimento de onda de 0,455 micrmetrosou m (1micro ou igual a 10-6m) e a luz solar vermelha de comprimento de onda de0,617 m.

Como por definio o sensoriamento remoto uma medida da interao da radiaoeletromagntica com a superfcie dos objetos, segundo o modelo ondulatrio ascaractersticas das imagens so explicadas tendo-se em conta a relao entre o tamanho daonda e o tamanho do objeto. Esse modo de interao denominado de interao

macroscpica, que adiante ser discutido com mais detalhes.Um bom exemplo para explicar esse comportamento so as interaes da radiao

eletromagntica que ocorrem com as nuvens. As radiaes eletromagnticas das ondas dovisvel e do infravermelho da luz solar, que so de comprimentos de 0,4 a 2,5 m, possuemem mdia, tamanhos menores que o tamanho mdio das molculas de vapor de gua quecompem uma nuvem, que da ordem de 30 m. Devido a essa enorme diferena entre otamanho das ondas do visvel e do infravermelho com o tamanho das molculas de vapor degua das nuvens, a REM incidente nas nuvens barrada por essas molculas e refletida devolta ao espao. Elas no conseguem atravessar a nuvem. Ento, o sensor registrar aintensidade da reflectncia da nuvem, formando uma imagem da nuvem e no dos objetosque esto sobre a superfcie terrestre. Um dos sensores mais conhecidos que operam noscomprimentos de onda do visvel e do incio do infravermelho prximo a cmera

Campo Eltrico EE

MCampo Magntico M

Comprimento de onda

Frequncia(nmero de ciclos por segundo)

Velocidade da luz


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fotogrfica. conhecido de todos que se no dia do levantamento areo houver algumapresena de nuvens, na foto a nuvem estar presente.

E o que acontece se o comprimento da onda for maior que o dimetro das partculasgasosas das nuvens, como o caso das ondas eletromagnticas de comprimentos das micro-ondas, com tamanhos da ordem de 1 a 100 cm? Para entender isso devemos considerar que

uma nuvem nada mais do que um amontoado de partculas de vapor, ou seja, um gs. Nestecaso, apenas uma mnima frao da dimenso da onda de tamanho centimtrico barradapelo correspondente tamanho da partcula, o resto da onda passando por ela. Portanto, anuvem no capaz de barrar fisicamente a passagem da onda. Assim, a onda atravessa anuvem e incide nos objetos da superfcie terrestre, sendo por eles refletida de volta para osensor, que registra as imagens desses objetos. Neste caso, pode-se dizer que as nuvens sotransparentes aos comprimentos de onda relativamente grandes das micro-ondas. Os sensoresque trabalham com as micro-ondas so denominados de radar. Em imagens de radar, mesmoque o cu esteja totalmente coberto por nuvens, a imagem formada uma imagem limpa,aparecendo nela toda a superfcie do terreno. Da, a grande utilidade dos sensores radares nasreas com frequentes coberturas de nuvens, como o caso da regio amaznica brasileira.

1.3.1.1Interao macroscpica da radiao eletromagntica com os objetos

Os exemplos que acabou-se de apresentar so elucidativos para mostrar que quando ainterao da radiao eletromagntica com os objetos controlada pelas relaes do tamanhoda onda com o tamanho dos objetos, as informaes que se apresentam nas imagens dizemrespeito s caractersticas das dimenses ou formas dos objetos. Neste caso, dito que o

processo de interao da onda com os objetos uma interao macroscpica. Na prtica, nasimagens de sensoriamento remoto a interao macroscpica a resposta da intensidade comque um objeto reflete a radiao eletromagntica em razo do tamanho da onda e a textura dasuperfcie do objeto. A textura representa a rugosidade topogrfica da superfcie. Ela pode serestimada pelas variaes verticais de altura da superfcie de um material e se mostra muitoeficiente para explicar as diferenas observadas nas imagens entre as diversas formas derelevo, os tipos de dossis da vegetao, ou da superfcie lisa de um corpo dguacalmo oucom ondas revoltas.

Em sensoriamento remoto as texturas das superfcies dos objetos vistas nas imagenspodem ser classificadas em dois tipos: especularesedifusoras. Podemos usar o critrio geralde Rayleigh ()para determinar se uma superfcie especular ou difusora, o que dependente do comprimento de onda e do ngulo de incidncia () da radiao, segundo a

seguinte equao: ou eq.1.2

onde, = altura mdia da superfcie= ngulo de incidncia = comprimento de onda

Quando

a imagem do objeto classificada como uma superfcie

especular de textura lisa, e quando

a superfcie do objeto classificada

como uma superfcie difusora de textura rugosa, como mostra a Figura 1.2.


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.

Fig. 1.2 Comportamento da reflectncia condicionada rugosidade da superfcie do alvo. (a) reflectnciaespecular de uma superfcie lisa com o raio incidente refletido no sentido oposto com o mesmo ngulo. (b)refletncia difusora de uma superfcie rugosa com os raios refletidos espalhados em todas as direes.

Em alguns casos pode-se ter uma mistura de reflectncia especular e difusora. Paratodos os efeitos, costuma-se classificar uma superfcie como sendo difusora quando 25% oumais da radiao refletida difusamente. Na natureza, a maioria dos objetos tem

comportamento difuso em relao aos comprimentos de onda.Do que foi discutido podemos concluir que a condio para uma superfcie serclassificada como especular ou difusa, depende do comprimento de onda incidente. Porexemplo, um solo gradeado, cuja textura medida pelas mnimas variaes da altura da suasuperfcie seja de poucos centmetros, ser considerado rugoso na faixa de comprimento deonda do visvel (0,40 m a 0,76 m), pois o tamanho da onda milhes de vezes menor queo tamanho das variaes de altura hda superfcie do solo. No entanto, o mesmo solo poderser considerado liso, ou seja, especular, na faixa das micro-ondas, visto que as micro-ondastm comprimentos de onda at 100 cm. Dessa forma, as reas de solos arados vistas nasimagens desses dois comprimentos de onda, visvel e micro-ondas, sero diferentes. Ousurio de sensoriamento remoto que no souber das implicaes desse processo de interao

macroscpica julgar, analisando as duas imagens, que so solos com texturas diferentes,imaginando, talvez, que as imagens tenham sido tomadas em datas diferentes.Para o sensoriamento remoto, o modelo ondulatrio se aplica melhor para os grandes

comprimentos de onda das micro-ondas das imagens de radar, que so obtidas com maioresque 3,0 cm. Observe na Figura 1.3 de uma imagem de radar, que os alvos escurosrepresentam superfcies especulares (gua e solo gradeado) nas quais a onda eletromagnticafoi refletida em direo oposta direo de visada do sensor, e assim nenhuma radiaovoltou ao sensor para ser registrada. Os demais nveis de cinza representam alvos comreflectncia difusa que retornaram ao sensor.

Fig. 1.3 Imagem de radar de comprimento de onda de 23 cm mostrando alvos de textura lisa com reflectnciaespecular (tons de cinza escuros) e alvos de textura rugosa com refletncia difusora (tons de cinza variados).

a b


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1.3.2Modelo Corpuscular

As formulaes de Maxwell sobre o comportamento da radiao eletromagnticacomo um movimento de ondas suaves dos campos eltrico e magntico falham em explicar

certos importantes fenmenos quando a radiao eletromagntica interage com a matria.Esse comportamento mais evidente para as ondas de pequenos comprimentos.Desde os primeiros experimentos de gerao de ondas eletromagnticas observou-se

que a radiao emitida em forma de pulsos que carregam certa quantidade de energia. Em1901 Planck observou que a REM transferia energia de um corpo para outro em quantidadesfixas e discretas, qual denominou de ftons. O fton a forma fsica de um quantum, a

partcula bsica estudada em mecnica quntica (ramo da fsica que se dedica com o muitopequeno, nos nveis atmicos ou subatmicos), e que pode ser descrita como a partculamensageira da energia da onda eletromagntica. Os ftons so como corpsculos de energiasem matria. Assim, uma onda eletromagntica exibe propriedades de partculas, como as

partculas (eltrons) exibem propriedades de onda.

O conceito de energia discreta muito importante e revolucionou a fsica do sculoXX, que at ento considerava que qualquer forma de energia era contnua. O termo discretosignifica que a intensidade de energia transportada pela radiao eletromagntica num dadocomprimento de onda sempre a mesma, independente do momento que medida. Para cadacomprimento de onda h uma especfica quantidade de energia.

Segundo o modelo corpuscular pode-se definir que a radiao eletromagntica umaforma dinmica de energia que se manifesta somente por suas interaes com a matria. Aquantidade de energia E de um quantum diretamente proporcional frequncia daradiao:

eq.1.3

onde, E = energiah = constante de Planck (6,624x10-34 Joules.seg)= frequncia

Substituindo-se por a partir da equao 1.1 do modelo ondulatrio, tem-se que:

eq.1.4

Da equao 1.4 verifica-se que um fton de energia E inversamente proporcional aocomprimento de onda da REM. Os comprimentos de ondas menores transportam,consequentemente, maiores quantidades de energia. Um fton de luz visvel comcomprimento de onda de 0,6 m tem uma energia de 3,3 x 10-19 J, e um fton de uma onda derdio, com comprimento de dois metros, tem uma energia muito menor, de 9,9 x 10 -26 J. Aunidade usada em fsica atmica e ptica quntica o eltron-volt, que igual a 1,59 x 10-19

joules.De acordo com o modelo corpuscular, a energia da onda, ao atingir a superfcie dos

materiais, interage com ela por meio de trocas de energia entre a energia discreta que carregae as energias, tambm discretas, contidas nos tomos e molculas da matria. As energiascontidas nos tomos e molculas esto distribudas por nveis de energia, que so

determinados pelos orbitais dos eltrons em torno do ncleo e pelas foras de vibraes dasligaes moleculares. Para haver uma troca ou interao da energia da radiao da onda com


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Fig. 1.5 Rochas calcrios e xistos absorvem com intensidades diferentes radiaes eletromagnticas dediferentes comprimentos de onda devido aos diferentes valores dos nveis de energia que apresentam asmolculas de CO3 e os tomos de Fe.

Em resumo, pode-se dizer que devido dualidade da natureza da radiaoeletromagntica, o modelo ondulatrio se relaciona com as propriedades texturais dosobjetos, enquanto que o modelo corpuscular s propriedades composicionais. Sendo assim,

para se discriminar ou diferenciar nas imagens de sensoriamento remoto um objeto do outro,como uma ardsia de um granito, deve-se ter imagens nos comprimentos de onda de altaenergia, que possam interagir com os minerais constituintes. E para que possamos ver asdiferenas das duas rochas, em funo to somente de suas texturas (formas de relevo), aconselhvel ter imagens nos grandes comprimentos de onda, onde a textura da superfcie dasrochas que comanda as intensidades de reflectncia.

1.3.3Manifestao Conjunta das Interaes Macroscpica e Microscpica

Devido indissociabilidade de onda e energia, somos obrigados a afirmar que asimagens dos objetos sempre so, em maior ou menor proporo, as respostas em funo dotamanho da onda e da intensidade de sua energia. Como antes apresentado, prticoconsiderar que para os menores comprimentos de onda a imagem dos objetos o retrato dainterao ao nvel microscpico com as suas composies e para os maiores comprimentos deonda a imagem dos objetos o retrato da interao ao nvel macroscpico com a rugosidadede suas superfcies.

H, particularmente, uma situao que serve de maneira didtica para demonstrar aatuao conjunta das duas formas de interao. Podemos ver isso na Figura 1.6 a partir deimagens tomadas de uma rea de densa cobertura vegetal, da regio amaznica. As duasimagens so do sensor TM do Landsat-5, uma da regio do infravermelho prximo de 0,76m a 0,90 m (banda 4) e a outra da regio do visvel de 0,63 m a 0,69 m (banda 3). A

primeira impresso de que na imagem do infravermelho prximo se consegue ver o relevoabaixo das rvores. Na realidade, ambas as imagens so a reflectncia apenas das folhas dasrvores, haja vista que nesses comprimentos de onda a radiao eletromagntica noconsegue penetrar a vegetao. Na figura direita vemos que a topografia dos dossis uma

reproduo bem aproximada da topografia do relevo subjacente e, por isso, a radiao solarincidente ilumina as faces frontais do relevo e sombreia as faces opostas. Combinando as


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condies de iluminao do relevo com as informaes do padro de comportamento dareflectncia da vegetao (lado direito da figura),podemos ver que na imagem do visvel asfaces opostas sombreadas exibem nveis de cinzas escuros e as faces frontais que refletem aradiao eletromagntica tambm exibem nveis de cinzas escuros devido alta absortnciada vegetao no visvel. A falta de contraste dos nveis de cinza no favorece, ao olho

humano, uma viso tridimensional do relevo. Na imagem do infravermelho prximo as facessombreadas continuam a exibir nveis de cinzas escuros, mas devido alta reflectncia davegetao neste comprimento de onda, as faces frontais exibem nveis de cinza-claro, criandouma condio de alto contraste entre as faces, o que favorece a percepo visual humana em3D. Nesta banda do infravermelho prximo as interaes macroscpicas e a microscpica secombinam, favoravelmente, para se ter a imagem do relevo.

Fig. 1.6 Nas imagens com densa cobertura vegetal (floresta amaznica) a associao da interao macroscpicae microscpica da radiao eletromagntica com a superfcie das copas das rvores, em um relevo montanhoso,

possibilita a observao aparente do relevo somente na imagem do infravermelho prximo.

1.4Fontes de Radiao Eletromagntica

Todos os objetos do mundo real que estejam a uma temperatura acima de zeroabsoluto (273,15oC ou zero Kelvin) apresentam uma movimentao aleatria das partculasdos tomos e das molculas. Quando essas partculas se colidem elas mudam o seu estado deenergia e emitem radiao eletromagntica. E quanto maior a temperatura da fonte, maior a sua potncia irradiante de energia.

As imagens de sensoriamento remoto no dependem apenas das qualidades tcnicas

dos sensores, mas, tambm, da qualidade e intensidade irradiante das fontes de REM. Nonosso sistema planetrio o Sol a mais potente fonte de radiao eletromagntica devido a

Imagem do infravermelho prximo

Imagem do visvel curva de reflectncia da vegetao

b3

b4

vis. infravermelho

reflectncia%


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sua alta temperatura de superfcie, prxima a 6000C. A Terra tambm uma fonte de REM,embora bem menos potente que o Sol, pois a sua temperatura mdia de apenas 27C. Essasduas fontes naturais de radiao eletromagntica so as mais usadas em sensoriamentoremoto, mas como veremos adiante, elas no conseguem emitir radiao de todos oscomprimentos de onda. Por isso, o homem construiu fontes artificiais capazes de emitirem

altas intensidades em comprimentos de onda, alm da capacidade do Sol ou da Terra, comona regio das micro-ondas.O clculo da intensidade da energia que uma fonte de REM emite foi modelado por

Planck, que idealizou uma fonte padro de radiao eletromagntica, chamada de corponegro. Um corpo negro um modelo fsico terico de um perfeito absorvedor e emissor deenergia eletromagntica. Planck utilizou esse modelo de corpo negro para calcular aquantidade mxima de intensidade radiante que uma fonte emite em um dado comprimentode onda, em funo de sua temperatura de superfcie. A partir desse modelo, em 1901 Planckformulou a seguinte lei, conhecida com Lei de Planck, que derivada da mecnica quntica.

eq.1.5onde, = energia radiante espectral medida em W m-2 m-1;= constante de Planck = 6,6256 x 10-34W.s2;= velocidade da luz = 2,997925 x 108m.s-1= constante de Boltzman =1,38054 x 10-23W s oK-1= temperatura absoluta (em oK) da fonte.

Substituindo as constantes pelos seus valores, a forma mais usual da equao 1.5 apresentada como:

eq. 1.6

Resolvendo matematicamente a equao 1.5 de Planck, chega-se s curvas dedistribuio de energia emitida por uma fonte a uma dada temperatura de superfcie (Figura1.7). Para cada temperatura h um pico mximo de emisso dentro do intervalo decomprimento de onda que a fonte emite. Por lei, qualquer material real no pode emitirtermalmente a uma taxa que exceda do corpo negro.

Entre as vrias curvas de emitncia radiante espectral da Figura 1.7, a que mostra adistribuio da energia a 6000 K a que mais se aproxima da curva de emitncia espectral doSol. Observe nesta figura que o pico mximo de emitncia situa-se no comprimento de ondade 0,49 m, ou seja,na regio espectral da luz visvel. J para a curva de emitncia radianteda fonte a 300 K, que comparvel temperatura mdia da superfcie da Terra, o seu picomximo de energia emitida est situado no comprimento de onda de 9,6 m. O Sol e a Terra,que so fontes reais naturais, mostram curvas de emitncia radiante prximas aos padres dasfontes de corpo negro de Planck. A Terra, por ter uma temperatura interna muito mais baixaque o ncleo solar, transmite calor para a superfcie por radioatividade, apenas o suficiente

para colocar a temperatura superficial numa mdia de 27oC. , portanto, uma fonte deradiao eletromagntica muito menos intensa que o Sol e de qualidade espectral bastante

limitada. Emite radiao eletromagntica somente na faixa espectral do termal. por causada sua baixa temperatura de superfcie, que no uma fonte de luz visvel.


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Fig. 1.7 As curvas mostram os valores das intensidades da energia radiante emitida por comprimento de onda,por fontes de radiao com diferentes temperaturas, segundo o modelo de corpo negro de Planck.

Semelhante ao que se v na Figura 1.7 para as fontes de corpo negro, na Figura 1.8 mostrado, comparativamente, a configurao do fluxo de energia radiante eletromagntica doSol e da Terra. Nesta figura a intensidade da energia radiante da fonte solar decresceabruptamente abaixo dos comprimentos de ondas do ultravioleta e atinge valores mnimos

alm dos comprimentos de onda de 3,0 m. Devido a isso, somente o intervalo espectral daREM de 0,45 m a 2,5 m til ao sensoriamento remoto, e nesse intervalo, o pico mximode intensidade de radiao encontra-se na faixa de 0,45 m a 0,76 m, conhecida como aregio do visvel. A Terra tem uma intensidade de fluxo de energia bem abaixo do fluxosolar, tendo o seu mximo de emitncia radiante em torno de 9,6 me um intervalo espectraltil ao sensoriamento remoto entre 8,0 m a 14,0 m.

Fig. 1.8 Distribuio da intensidade da energia emitida pelas fontes naturais de radiao eletromagntica,medidas no topo da atmosfera. Barras indicam a regio de comprimento de onda de mxima emitncia.

4000K

6000K

3000K2000K

1000K

500K

300K

200K

Radiao corpo negro temperatura do sol

Radiao corpo negro temperatura incandescente

Radiao corpo negro temperatura da terra

1

101

102

103

104

105

106

107

108

0.1 0.2 0.5 1 2 205 10 50 100m

visvel

Emitnciaradiante(W/m2 m)


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25/276


26/276


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reflectncia real dos objetos, o que ocasiona uma diminuio do contraste entre os diferentesobjetos presentes nas imagens. O exemplo dessa diminuio do contraste mostrado naFigura 1.12. Nesta figura, a cena original possui dois objetos, um com brilho 5 para o alvomais claro e outro com brilho 2 para o mais escuro, considerando-se uma situao comausncia total de espalhamento atmosfrico. O contraste entre esses dois alvos pode ser

medido como uma razo do brilho dos dois alvos: 5/2 que igual a 2,5. Quando esta mesmacena colocada sob influncia de uma atmosfera, onde so adicionadas cinco unidades debrilho devido ao espalhamento, o alvo com brilho 5 aumenta para brilho 10 e o alvo combrilho 2 aumenta para 7. A razo de contraste dos alvos que era de 2,5 diminui para 1,4,reduzindo assim, a possibilidade de se diferenciar os dois alvos nas imagens.

Fig. 1.12 Diminuio do contraste da reflectncia entre dois alvos, medido por uma razo, devido aoespalhamento atmosfrico.

O mecanismo final de espalhamento o no-seletivo. Ele ocorre quando o tamanho

das partculas muito maior que o comprimento de onda da faixa espectral que vai do visvelao termal (0,4 m a 14 m). Da, a razo de ser denominado de no-seletivo em relao aotamanho da onda. Ele tem a soma da contribuio dos trs processos envolvidos na interaoda radiao com as partculas. O espalhamento no-seletivo ocorre em atmosferas muitodensas, com neblinas e nuvens, e resulta em severas atenuaes da radiao refletida pelosalvos ao sensor. o responsvel pela cor branca das nuvens, que espalham a radiao paracima com alta intensidade. A Tabela 1.1 resume as caractersticas dos trs tipos deespalhamento.

Tabela 1.1 Tipos de espalhamento atmosfrico

Tipo deespalhamento

Dependncia com ocomprimento de

onda

Tamanhodas

partculas

Tipo de partculas Efeitos na reduodo contraste

Rayleigh -4.0 10 Nuvens, neblinas,nvoas

Afeta igualmente todosos comprimentos de

ondas

cena original brilho sem espalhamento 5 unidades de brilho adicionadas

Contraste10/7 = 1,4

Contraste5/2 =2,5

2

4

6

8

10

2

4

6

8

10


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1.6Espectro Eletromagntico

Denomina-se espectro eletromagntico as regies espectrais da REM conhecidas pelohomem. O espectro eletromagntico conhecido se estende dos comprimentos de onda dos

raios csmicos aos comprimentos de corrente alternada emitidos pelas redes de alta tenso. Afaixa de comprimento de onda da REM praticamente ilimitada. H estrelas que emitemradiaes eletromagnticas com mximo de irradincia em comprimentos de onda do raio-Xe outras, como o Sol, que emitem seu mximo de radiao eletromagntica no visvel. Ohomem j construiu fontes artificiais de REM que geram ondas com comprimentos de 10 -15 a

108 metros.A REM deve ser vista como um espectro contnuo. Porm, o espectro eletromagntico

foi arbitrariamente dividido pelo homem em intervalos de comprimentos de onda com basenos mecanismos fsicos geradores da energia eletromagntica e nos mecanismos fsicos desua deteco. A nomenclatura de cada um dos intervalos foi feita em funo do uso que ohomem encontrou para as suas aplicaes. Para os usurios do sensoriamento remoto essencial saber os valores dos comprimentos de onda desses intervalos, as denominaes querecebem, e quais comprimentos de ondas so possveis de ser detectados por cada tipo desensor. Isso porque, quando se estiver com uma imagem de sensoriamento remoto em mos,a primeira pergunta que se faz : qual o comprimento de onda dessa imagem?Usando umaterminologia mais correta, perguntar-se-ia: qual a banda espectral dessa imagem?

Um dos intervalos ou faixas de comprimentos de onda que mais familiar a faixa deluz visvel da radiao solar, por ser aquela que o olho humano capaz de detectar. Ointervalo espectral da luz visvel foi decomposto pela primeira vez em 1766 por Isaac

Newton, atravessando a luz branca por um prisma de vidro (disperso) e emergindo do ladooposto do prisma em raios de luz coloridos (Figura 1.13). Cada raio colorido tem o seu

especfico comprimento de onda. A inclinao de cada raio, ao emergir da outra face doprisma, devido relao entre o comprimento da onda e o ndice de refrao do prisma(vidro). Essa experincia se repete toda vez que no cu vemos a formao de um arco-ris,

provocado pela disperso da luz pelas gotas de gua, num dia chuvoso.

Fig. 1.13Disperso da luz branca em seis cores espectrais ao atravessar o prisma de vidro.

Foi a partir dessa experincia que o homem props a diviso do espectroeletromagntico. A Tabela 1.2 apresenta a diviso que a mais aceita no sensoriamentoremoto. No so limites rigorosamente precisos, sendo comum encontrarmos na literatura

vermelho

violeta


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pequenas diferenas de limites dos intervalos espectrais. As faixa espectrais em negrito so asmais usadas em sensoriamento remoto. A Tabela 1.3 um detalhamento dos limites decomprimentos de onda do espectro de cores do visvel.

Tabela 1.2 Diviso do espectro eletromagntico.

Intervalo Espectral Comprimento de OndaRaios csmicos 0,01 AoRaios gama 0,010,1 AoRaios X 0,110 AoUltravioleta 100nm0,38mVisvel 0,380,76 mInfravermelho prximo 0,761,2 mInfravermelho de ondas curtas 1,23,0 mInfravermelho mdio 3,05,0 mInfravermelho termal 5,0 m 1 mmMicro-ondas 1 mm100 cmRdio 1 m10 km

udio 10100 kmCorrente alternada > 100 km

Obs: Ao= 10

-10m; nm = 10

-9m; m = 10

-6m

Tabela. 1.3 Divises dos comprimentos de ondas das cores da regio do visvel

Comprimentode onda (m)

Cor da luz refletida

0,3800,455 Violeta

0,4550,482 Azul0,4820,487 azulesverdeado

0,4870,493 azulverde

0,4930,498 verdeazulado0,4980,530 Verde0,5300,559 verde-amarelado

0,5590,571 amarelo-verde

0,5710,576 amarelo-esverdeado

0,5760,580 Amarelo0,5800,587 laranja-amarelado

0,5870,597 Laranja

0,5970,617 laranja-avermelhado0,6170,760 Vermelho

Sabendo que a radiao eletromagntica de cada comprimento de onda interage deformas distintas e com intensidades diferentes com os objetos terrestres, um dos parmetrosmais importantes para definir as caractersticas de um sensor so os comprimentos de ondadas imagens que o sensor ir adquirir. As imagens no so definidas num especficocomprimento de onda, mas abrangendo pequenos intervalos, chamados de bandas espectrais.

Em funo das absores da radiao eletromagntica pela atmosfera, os intervalos

discriminados na Tabela 1.4 so aqueles em que, realmente, se podem obter imagens a partirde sensores instalados em aeronaves ou satlites.


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Tabela 1.4- Intervalos espectrais possveis de serem usados pelos sensores remotos.

0,450,76mvisvel

0,761,2minfravermelho

prximo

1,23,0minfravermelhode ondas curtas

3,05,0minfravermelho

mdio

5,0 m1 mminfravermelho

termal

1mm100 cmmicro-ondas

toda faixa 0,760,91 1,191,34 3,54,2 8,09,2 3,01001,001,12 1,551,75 4,55,0 10,212,5

2,052,40

Segue uma sntese das caractersticas mais importantes desses intervalos espectrais.

Visvel (0,45-0,76 m) - a regio do espectro solar com a mais alta intensidade de fluxoradiante e onde h a melhor janela atmosfrica, bastante transparente, deixando passar umagrande quantidade de radiao. Por isso, muito usada em sensoriamento remoto. a regio

responsvel pela interao com os minerais e que d origem s suas cores e com ospigmentos da vegetao. O problema dessa faixa espectral o alto espalhamento da radiaosolar incidente pelos gases atmosfricos, que pode reduzir o contraste da reflectncia dosalvos terrestres. chamada de visvel, porque o olho humano sensvel a essa regioespectral.

Infravermelho prximo (0,76 - 1,2 m) -Regio do espectro solar onde a atmosfera tambm bastante transparente, mas ocorrem algumas bandas de absores, impedindo que todo ointervalo possa ser continuamente utilizado por sensoriamento remoto. o intervalo ondeocorrem importantes interaes da REM com os nveis de energia eletrnica dos tomos,gerando feies espectrais que so diagnsticas para identificar a natureza de vrios tipos de

rochas, principalmente as de composio mineral com metais de transio (Fe, Ni, Cr, Mn...)

Infravermelho de ondas curtas (1,23,0 m) - a regio espectral geolgica, porque nestafaixa espectral que os vrios minerais de alterao hidrotermal tm as suas diagnsticasfeies de absoro. Tambm a regio onde os comprimentos de onda em 1,4 m e em 1,9m so totalmente absorvidos pelas molculas de vapor dguada atmosfera, proibindo o usodo sensoriamento remoto e, por consequncia, de se determinar nos materiais terrestres a

presena de gua molecular nas suas estruturas.

Infravermelho mdio (3,0 - 5,0 m) - Regio onde o Sol e a Terra no emitem quantidadessuficientes de energia que possam ser detectadas pelos sensores. Somente alvos com elevadastemperaturas, como vulces e incndios, podem ser detectados, pois agem como fontes

prprias de emisso de radiao. uma regio espectral pouco usada no sensoriamentoremoto, exceo de sensores metereolgicos ou atmosfricos.

Infravermelho termal (5,01,0 mm) - conhecido como a regio termal, devido radiaoemitida pelos objetos terrestres em funo das suas temperaturas de superfcies. A melhor

janela atmosfrica nessa regio espectral para imageamento orbital o intervalo de8,0 m a14,0 m, porque acima de 30 km, a camada de oznio absorve toda a radiao alm de 14 memitida pela Terra. tima faixa espectral para deteco de quartzo de veios nas rochas.

Micro-ondas (3,0 - 100 cm) Regio de uso de sensores ativos (radar), que utilizam fontesartificiais para a gerao da REM. Por causa do tamanho do comprimento de onda, o radar


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tem a habilidade de operar em condies atmosfricas adversas, com coberturas de nuvens ouchuvas, e pode operar tanto de dia como noite. Importante para a geologia estrutural emapeamento geolgico, porque a interao das micro-ondas com as rochas controlada pelastexturas de relevo. Atualmente, o intervalo til ao sensoriamento remoto estende-se de 3,0 cma 100 cm.

1.7Conceitos de Radincia e Reflectncia

A forma como um sensor mede a radiao eletromagntica praticamente a mesma,independente do comprimento de onda. Mas, o importante saber o que de fato ocomponente da radiao eletromagntica que deixa o alvo e vai at o sensor para ser medidoe transformado em imagem. Normalmente, nos referimos erroneamente a esse componente,como reflectncia. Veremos que h uma conceituao radiomtrica especfica que define aradiao que deixa o alvo, e que dependente do intervalo espectral. Trataremos aqui dosconceitos radiomtricos da radiao ptica da luz solar. A radiao termal e das micro-ondasveremos nos captulos seguintes.

Quando o sensor detecta e mede a radiao que deixa a superfcie dos objetos, osensor est fazendo uma medio radiomtrica. por isso que os sensores imageadores

podem tambm ser denominados de radimetros imageadores. A radiometria inclui uma sriede termos e leis que em sensoriamento remoto so fundamentais para explicar o significadofsico dos valores da REM medidos pelo sensor. As definies que sero vistas so somenteas mais importantes para se entender o significado dos componentes de um modelo bsico desensoriamento remoto, como ilustrado na Figura 1.14. Os nmeros que identificam na figuracada um dos componentes desse modelo representam os termos radiomtricos que so

definidos a seguir, em uma ordem sequencial segundo a trajetria da REM da fonte (1) at osensor. O subscrito indica que o valor calculado para a grandeza radiomtrica que o contm dependente do comprimento de onda.

Fig. 1.14 Componentes radiomtricos da trajetria da radiao eletromagntica, da fonte ao sensor.

1. Energia radiante Q a energia que se propaga da fonte na forma de ondaseletromagnticas, medida em Joule (J).

2.Fluxo radiante = Q / t a taxa na qual a energia radiante transferida de umponto ou superfcie para outra superfcie, medida em watts (W). O fluxo medido por um

rea A da superfcie do alvo

ngulo cnico

fonte

sensor

1

2

3

4


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perodo de tempo. Tambm a taxa de tempo que o fluxo ilumina a superfcie do terreno, queser imageada pelo sensor.

3. IrradinciaE= /A o fluxo radiante solar incidente na superfcie do terrenopor rea de superfcie, medidoem watts por metro quadrado (W/m2). Mas, se efetivamente sequiser medir a quantidade de irradincia incidente por rea, deve-se integrar as variveis da

atmosfera pela qual a radiao passa. Segundo Jensen (2009), essa integrao uma funoda irradincia solar espectral no topo da atmosfera (Eo), multiplicada pela transmitnciaatmosfrica(T0) num certo ngulo zenital solar (0), mais a contribuio solar difusa (Ed).Em termos de unidade a irradincia medida em W/m2m.

eq.1.9

4. Radincia L=/Acos a medida feita pelo sensor da densidade de fluxo

radiante que deixa um elemento de rea da superfcie do terreno, e que se propaga em umadireo definida por um cone elementar de um ngulo slido contendo aquela direo. Emtermos de unidade a radincia medida em W/m2strm. Assumindo-se que a superfcie daTerra seja um refletor difuso perfeito, a quantidade total de radincia que deixa a superfciede um alvo em direo ao sensor, de acordo com Jansen (2009):

eq.1.10

onde,

= reflectncia mdia da superfcie do alvo e o fatorpiconsidera o espao hemisfrico.

O conceito de ngulo slido importante em sensoriamento remoto. Ele descreve aconvergncia ou divergncia angular, em trs dimenses, do fluxo de ou para uma superfcie.Ele convenientemente definido em termos da geometria de uma esfera, como mostra aFigura 1.15. O ngulo slido subtendido no centro de uma esfera definido como a razo dasuperfcie de rea da esfera pelo quadrado do raio da esfera. Como em sensoriamento remotoo ngulo slido de valor muito pequeno, de alguns poucos milirradianos, por convenincia,usa-se a rea plana da base do cone, de dimetro D.

Fig. 1.15Conceito de ngulo slido.

= A/r

onde: =ngulo slido em esferorradiano

A =rea da esfera subtendida pelo cone

r=raio da esfera

r

A


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Voltando Figura 1.14 vemos que o sensor focaliza uma rea no terreno cujotamanho definido pelo ngulo slido de visada do sensor. Esse ngulo slido de visada definido pela abertura do sistema ptico do sensor, no caso um telescpio porttil, semelhana da abertura definida pela objetiva de uma mquina fotogrfica. Dessa maneira, osensor mede a intensidade radiante que deixa a superfcie de rea do terreno limitada por um

ngulo slido . Esterradiano (str), ou esferorradiano, a unidade de medida de nguloslido, 1 esterradiano equivalendo a 57 graus plano. No sensor o ngulo da ordem demilirradianos. Alm do ngulo slido, a medida da radiao que deixa a rea do terrenodepende tambm da posio que o sensor est no espao. Na Figura 1.14 a posio do sensor medida pelo co-seno do ngulo em relao normal superfcie do terreno. Tudo isso, que considerado na medida da radiao pelo sensor, o que foi definido de radincia. Sendoassim, a imagem formada no sensor uma imagem da radincia. Como ser abordadoadiante, os valores de radincia so convertidos em valores digitais, gerando a imagemdigital.

Mas, h algo mais, muito importante, que deve ser considerado no modelo bsico deconfigurao de sensoriamento remoto da Figura 1.14. Sabe-se que a densidade de fluxo

incidente na superfcie do terreno, a Irradincia E, varia no tempo (hora, dia, ms), pois adistncia e a posio do Sol em relao Terra mudam, continuamente, e mesmo porque oSol no uma fonte totalmente uniforme. Alm disso, a atmosfera muito dinmica, ou seja,a cada momento deixa passar quantidades diferentes de fluxo radiante devido s absoresdos gases. O que isso acarreta? A radincia que ser medida no sensor para construir aimagem dos objetos poder apresentar-se diferente de um dia para outro, mesmo que os alvosnada tenham mudado. Essa influncia da variao da irradincia poderia ser eliminada, se noexato momento em que o sensor medisse a radinciaLque deixa o alvo, medisse, tambm, aquantidade de fluxo radiante incidente no alvo, ou seja, a irradincia E. A relao de medidada irradincia com a radincia estabelece um conceito muito importante em sensoriamentoremoto, que a reflectncia.

Reflectncia a razo entre a quantidade de energia radiante que deixa uma unidadede rea no terreno (Radincia) pela quantidade de energia incidente naquela rea(Irradincia), medida no mesmo instante de tempo. Como irradincia e radincia sodensidades de fluxo, o valor dessa razo torna-se adimensional, sendo, portanto, expresso em

porcentagem. Qualquer alvo no terreno poder refletir uma porcentagem > 0% e < 100% daradiao nele incidente. Usa-se a letra gregapara se referenciar reflectncia.

eq.1.11

Os sensores imageadores no medem a irradincia solar, e por isso a imagem umarepresentao digital dos valores da radincia, e no uma imagem de reflectncia. Para chegara uma imagem de reflectncia, devem-se converter os valores digitais para radincia e emseguida calcular a reflectncia, segundo os princpios da equao 1.10. Para isso h anecessidade de se saber os valores da irradincia no momento em que a imagem foi tomada.H complexas formulaes matemticas que possibilitam fazer essa converso de valores.Elas esto embutidas nos algoritmos de processamento de imagens para correo atmosfrica.

Para a maioria das aplicaes de sensoriamento remoto e das tcnicas deprocessamento de imagens se usa imagens no formato digital, aceitando-se que os valoresdigitais so representaes bem prximas da reflectncia. Razoveis anlises da reflectncia

espectral dos alvos podem ser feitas com imagens multiespectrais no formato digital.Contudo, com imagens de sensores hiperespectrais, que exigem em suas anlises


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Usando a equao 1.12, para um sensor orbital colocado altura de 700 km e com umIFOV igual a 0,043 milirradianos, o tamanho do elemento de resoluo no terreno ser:

D = 700.000 x 0,043.10-3

D = 30,1 metros

Um pequeno IFOV desejvel quando h a necessidade de se registrar altos detalhesespaciais. Dessa forma, quanto menor o tamanho do IFOV maior ser a capacidade de sedetectar nas imagens os menores elementos que integram a cena. A resoluo espacial deveser entendida como uma medida geomtrica, e, portanto, no deve ser considerada comosinnimo de pixel. Pixel representa uma taxa de amostragem no terreno, que mede no espaogeomtrico do elemento de resoluo no terreno, o valor da radincia do alvo.

Fig. 1.17 Medida geomtrica da resoluo espacial a partir do valor do ngulo IFOV e da altura H do sensor.

A Figura 1.18 mostra imagens de trs sensores pticos com diferentes resoluesespaciais. Fica evidente que se pode estabelecer uma relao de comparao entre a resoluoespacial e a escala de visualizao da imagem. Na Tabela 1.5 so sugeridas as escalas para ascorrespondentes resolues espaciais de alguns conhecidos sensores. So escalasaproximadas, porque na prtica, dependendo do contraste da cena e das bandas, quase semprese consegue uma escala maior do que a sugerida pela resoluo espacial.

Fig. 1.18 Da esquerda para a direita, imagens dos satlites, Landsat com resoluo espacial de 30m, Spot com10 m e Ikonos com 1 m, de uma poro do lago Parano de Braslia.

Tamanho do elemento deresolu o no terreno medido em

ptic

IFOV

distnciafocal f

detector

H


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Tabela 1.5 Escalas aproximadas de visualizao de imagens multiespectrais em funo da resoluo espacial.

Escala Resoluo espacial (m) Sensor

1:


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1.20 de uma banda do infravermelho prximo. Nessa banda os rios so facilmenteidentificados, porque a gua possui uma baixa reflectncia, enquanto a vegetao da florestatem uma alta reflectncia, estabelecendo uma razo de alto contraste entre os dois alvos.

Fig. 1.19 Espectros de reflectncia de alguns minerais sobrepostos s bandas do sensor ASTER. A largura dabanda do sensor deve ser equivalente largura da banda de absoro do mineral para que este possa seridentificado na imagem.

Fig. 1.20 Imagens da regio amaznica nas bandas do visvel (a) e do infravermelho prximo (b)exemplificando o efeito da resoluo espectral no contraste do rio com a vegetao.

Valendo-se do poder da resoluo espectral que os sensores multiespectraisaparentam ter a sua resoluo espacial melhorada. bem conhecido que possvel detectar

Reflectncia

Comprimento de onda em m

Banda1

Banda2

B

anda3

Bandas 4 a 9

a b

calcita

jarosita

caolinita

talco


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objetos que so consideravelmente menores do que a resoluo espacial, se seu contraste comos objetos vizinhos suficientemente alto. O exemplo mais marcante a identificao deestradas em imagens de satlites. Na Figura 1.21 o exemplo novamente de uma imagemcom resoluo de 30 metros, onde h estradas de terra, cujas larguras so inferiores a 10 m.Devido ao tamanho dos pixels ser de 30 por 30 metros, eles integram as reas da estrada e da

vegetao marginal, constituindo um pixel mistura que define um valor qualquer dereflectncia. Tal valor no ser nem o valor puro da reflectncia da estrada e nem o davegetao. Mas como na banda do visvel a estrada tem uma alta reflectncia, muito superior reflectncia da vegetao, o valor mdio da reflectncia do pixel mistura se aproximarmais do valor da reflectncia da estrada do que da vegetao. Nesse caso, os pixels misturasque contm a estrada e a vegetao tero um nvel de cinza mais claro que os pixels puros,apenas com vegetao. Tal efeito de contraste apresenta-se como uma aparente melhoria naresoluo espacial da imagem. Para confirmar esse efeito da resoluo espectral, na resoluoespacial, observe que quando a banda espectral selecionada for de comprimento de onda doinfravermelho prximo (figura da esquerda), a estrada dificilmente identificada, porqueneste caso, as reflectncias da estrada e da vegetao so muito prximas, portanto, sem um

contraste espectral.Infelizmente, no possvel aumentar, indefinidamente, qualquer um dos trs

parmetros que medem a resoluo espectral do sensor: largura das bandas, posio dasbandas ao longo do espectro eletromagntico e nmero de bandas. Um sensor com centenasde bandas espectrais, com o fim de se ter uma amostragem detalhada do comportamentoespectral da refletncia dos objetos aumenta, significativamente, a taxa de transmisso dedados do satlite para Terra, exigindo-se em se colocar no satlite equipamentos mais

potentes para transmisso (transponder), o que implica em maior consumo de energiaeltrica. Larguras de bandas muito estreitas diminuem a quantidade de energia radiante do

pixel, o que ocasiona baixa razo sinal/rudo.

Fig. 1.21 Efeito da resoluo espectral na identificao de alvos (estradas de terra) em reas de relativa densavegetao, cujas dimenses so inferiores resoluo espacial de 30 m da imagem.

De certa forma, por essas restries que se v atualmente, nos exemplos dossensores orbitais em operao, certo comprometimento entre a resoluo espectral e a

resoluo espacial. Normalmente, os sensores de alta resoluo espacial para compensarem ogrande volume de dados que tem de ser transmitido para Terra, possuem poucas bandas,

banda no visvel banda no infravermelho prximo


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limitadas s faixas espectrais do visvel e do infravermelho prximo. So assim consideradossensores de alta resoluo espacial e baixa resoluo espectral. Ao contrrio, um sensor de

baixa resoluo espacial, como o ASTER, compensado pelo maior nmero de bandas (14bandas).

1.8.3Resoluo Radiomtrica

A medida pelos detectores da intensidade de radincia da rea de cada pixel unitrio denominada de resoluo radiomtrica. Maior ser a resoluo radiomtrica, quanto maior fora capacidade do detector para medir as diferenas de intensidades dos nveis de radincia.Quanto maior for essa capacidade, maior ser a resoluo radiomtrica. Ela define o nmerode nveis de radincia que o detector pode discriminar.

Em funo da intensidade da radiao de entrada no sensor, a resposta de sada dosdetectores convertida eletronicamente em um nmero digital discreto. Tambm se d o

nome de quantizao medida da resoluo radiomtrica. Em termos prticos, a quantizaodo sinal medida pelo intervalo de nmero de valores digitais usados para expressar osvalores de radincia medidos pelo detector. A quantizao normalmente expressa emtermos de nmeros de dgitos binrios (bits). Quanto maior a quantizao, maior ser aqualidade visual da imagem, como mostra a Figura 1.22. Nesta figura, observa-se que aimagem de 8 bits (28=256) tem detalhes visuais melhores que as imagens de menoresresolues radiomtricas de 6, 4 e 2 bits. A imagem de 2 bits possui apenas 4 nveis de cinza.

Fig. 1.22 Exemplos de imagens com diferentes nveis de quantizao ou de resoluo radiomtrica.

8 bits 6 bits

4 bits2 bits


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A maioria dos sensores multiespectrais com resoluo espacial de 10 a 30 metrostrabalha com resolues radiomtricas de 8 bits, isso , possui capacidade de discriminar at256 valores de radincia por banda espectral. J os sensores com alta resoluo espacial, comtamanho de pixel de 1 metro, possuem resolues radiomtricas de 10 ou 11 bits (1024 ou2048 valores digitais). Para ilustrar essa questo, imaginemos uma rea de floresta com

rvores que exibem pequenas variaes na intensidade da cor verde de suas folhas, que ocomponente da vegetao que ir interagir com a luz solar incidente. Com uma imagem compixel de 30 metros vrias rvores estaro dentro da rea do pixel. Nesse caso, a radinciamedida pelo sensor ser uma mdia da reflectncia de vrias rvores, e no de rvoresindividuais. A floresta ser, portanto, identificada nas imagens por uma textura tonal que ser

bem distinta de uma rea vizinha com menor densidade de vegetao, como um cerradosensu strictu. Isso nos diz que as imagens somente possibilitam diferenciar classes de alvo(mata e cerrado). Sendo assim, para reconhecer classes de alvos, no h necessidade de umarefinada medida da radincia, bastando uma imagem com resoluo de 8 bits. J, para umaimagem com 1 m de resoluo espacial, as rvores podem ser individualmente detectadas.Havendo sutis variaes de reflectncia entre as rvores, a imagem dever ter uma resoluo

radiomtrica de 10 ou 11 bits, para que se possa diferenciar possveis variaes espectraisentre as espcies de rvores. A Figura 1.23 exemplifica essa discusso, apresentando acomparao de uma composio colorida de imagens Ikonos com resolues radiomtricasde 11 bits e espacial de 1 metro, com uma composio de imagens ETM+ com resoluesradiomtricas de 8 bits e espacial de 30 metros.

Fig. 1.23 A identificao dos objetos como elementos individuais da paisagem (rvores) ou como classe (mata)respectivamente, nas imagens IKONOS e Landsat, determinada pela relao entre os valores das resoluesespacial e radiomtrica.

1.8.4Resoluo Temporal

Refere-se frequncia que o sensor revisita uma rea e obtm imagens peridicas aolongo de sua vida til. Isso s possvel porque os satlites de sensoriamento remoto

imagem IKONOS (11 bits) imagem Landsat ( 8 bits)


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executam uma rbita heliossncrona, que um caso particular de uma rbita semipolar. Oplano de rbita sempre fixo e ortogonal ao sentido de rotao da Terra. Assim, o satlitepassa sobre o mesmo ponto da superfcie da Terra na mesma hora. Orbitam com umainclinao em relao ao equador de 97 a 98oa uma altitude nominal prxima de 550 a 900km e o tempo de viagem para completar uma rbita de aproximadamente 90 minutos. Num

tempo de 24 horas, aproximadamente 14 rbitas se completam. Considerando-se que ossensores a bordo dos satlites conseguem imagear somente uma faixa da Terra com algumasdezenas ou centenas de quilmetros de largura, as 14 rbitas imageadas em um dia ficamdistanciadas entre si de milhares de quilmetros devido s velocidades relativas de rbita dosatlite, e da rotao da Terra no sentido de oeste para leste. A cada novo dia, a posio darbita progride na direo oeste. Esse processo de cobertura pode ser exemplificadoconsiderando-se as caractersticas de imageamento do satlite Landsat (Figura 1.24). Cadarbita do Landsat cobre uma faixa no terreno de 185 km de largura. As rbitas tomadas nomesmo dia se distanciam entre si de 2.875 km, sendo necessrios 16 dias para concluir orecobrimento total do globo. O princpio o mesmo para qualquer outro satlite. O que irvariar a resoluo temporal do imageamento, pois cada sensor imageia faixas no terreno de

larguras diferentes.A resoluo temporal fundamental para acompanhar ou detectar a evoluo ou

mudanas que ocorrem na Terra, principalmente para alvos mais dinmicos, como o ciclofenolgico de culturas, desmatamentos, desastres ambientais, tendo forte impacto namonitorao ambiental. A Figura 1.25 um exemplo de uma rea agrcola com vrios pivsde irrigao, e que no intervalo de nove anos mostra as alteraes no parcelamento doscultivares e aumento do nmero de pivs. Atualmente, pela facilidade com que se podereposicionar a visada de um sensor, de nadir para off nadir (fora da vertical), muitos satlitesoferecem a possibilidade de revistas rea em espaos de tempo de dois a trs dias.

Fig. 1.24 Padro de recobrimento de rbitas completadas em um nico dia pelo satlite Landsat (a) e no perododa resoluo temporal de 16 dias (b). (Fonte:Novo, 1996).

2752 km

12345678910111213

141516

a b

2752 km


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SENSORES IMAGEADORES MULTIESPECTRAISNA FAIXA PTICA (0,45 2,5 m)

Paulo Roberto Meneses

2.1Das Fotos Areas s Imagens Multiespectrais

O sensoriamento remoto tem suas bases nos princpios que levaram aodesenvolvimento das cmeras fotogrficas areas para se obter, a partir de avio, fotografiasda superfcie terrestre. O princpio bsico o registro dos alvos por meio da deteco do

fluxo de radiao eletromagntica refletida pelas superfcies dos objetos terrestres. Apesar doenorme benefcio que as fotografias areas proporcionaram para a humanidade, foi-sepercebendo, com o tempo, que o uso de aeronaves restringia a cobertura de grandes reas e,sobretudo, a tomada de dados de forma sistemtica para fins de monitorao do ambiente.Com o desenvolvimento tecnolgico de novas plataformas areas, como os satlites, essalimitao estaria resolvida porque um satlite capaz de orbitar continuamente Terra, pormuitos anos. Mas como colocar em rbita um sensor fotogrfico munido de filmes que

precisam ser constantemente substitudos? E tambm, como obter fotos alm doscomprimentos de onda do incio do infravermelho prximo (0,90 m), que o limite desensibilidade espectral dos microscpicos detectores de cristais de haletos ou brometos de

prata que revestem as emulses fotogrficas?

Essas indagaes foram feitas porque j havia conhecimentos nos anos de 1950 queimportantes informaes dos objetos terrestres poderiam ser adquiridas muito alm do poderde resoluo espectral dos filmes, como no infravermelho de ondas curtas, no termal e nasmicro-ondas. Detectores eletrnicos de radiao eletromagntica, compostos de cristais desilcio, estavam em desenvolvimento para substiturem os filmes fotogrficos.

Estimulados pelo desenvolvimento e construo de satlites artificiais, novosinstrumentos sensores comearam a ser projetados, visando obter dados da Terra, a partir doespao. Esses novos sensores, dito no fotogrficos, foram denominados de sensoresimageadores multiespectrais. Define-se sensores imageadores multiespectrais os instrumentoseletro-ptico capazes de obter mltiplas imagens simultneas da superfcie terrestre, desde ocomprimento de onda da luz visvel azul, at a regio termal. Os sensores pticos e termais

operam, praticamente, da mesma forma. O mais comum ter os dois sensores operandosimultaneamente na mesma plataforma, apenas em mdulos instrumentais distintos.Trataremos em captulo parte, o sensoriamento termal.

Pode-se justificar a grande eficincia dos sensores imageadores multiespectrais pelosseguintes motivos: (i) os dados so em formato digital; (ii) podem ser operados de

plataformas espaciais por meio de satlites, permitindo a tomada de imagens de formarepetitiva ao longo de vrios anos; e (iii) as imagens podem ser obtidas num amplo intervalode comprimento de onda, com dezenas a centenas de bandas espectrais. Combinadas, essascaractersticas projetaram esse modelo de sensoriamento remoto como uma das melhores emais bem sucedidas inovaes para a tomada de dados da superfcie terrestre. As imagensquando obtidas por imageadores a bordo de satlites possibilitam um imageamento global daTerra, em curto perodo de tempo, incomparveis para uma monitorao precisa dos eventose mudanas ambientais. Por sua vez, a versatilidade dos imageadores de obter imagens em

12

2


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diferentes comprimentos de onda, ampliou sua utilizao muito alm das aplicaes temticasdas cincias da Terra. E o formato digital trouxe o computador como um meio rpido paravisualizar as imagens e process-las para uma anlise qualitativa e quantitativa, pelos.fotointrpretes

Dos filmes fotogrficos usados nas cmeras areas, aos detectores eletrnicos dos

sensores imageadores, migrou-se de fotos analgicas para imagens digitais, dando-se osurgimento a uma nova tecnologia para anlise de dados, que o Processamento Digital deImagens.

Deixando de lado o entendimento da complexa engenharia dos diferentescomponentes instrumentais que integram um sensor imageador, pode-se dizer que o coraode um sensor imageador composto pelos detectores da radiao eletromagntica e pelaeletrnica de sinal, que converte a radiao eletromagntica em um nmero digital. devido maior efetividade e versatilidade que os detectores eletrnicos tm para registrar a radiaoeletromagntica em diferentes intervalos de comprimento de onda, que conferido aossensores imageadores a capacidade de gerar, simultaneamente, um grande nmero deimagens em diferentes comprimentos de onda.

Um imageador um instrumento que a cada instante capta a energia eletromagnticada radincia de pequenas amostras de rea da superfcie terrestre (pixel), convertendo-a,atravs dos detectores, em um sinal eltrico cuja intensidade correspondente intensidadeda radincia de cada pixel. O sinal eltrico, amplificado e filtrado, amostrado e quantizadoem valores digitais dentro de um valor escalar dimensionado em bits. A converso ou relaoentre o nvel do sinal analgico/digital (conversor A/D) feito usualmente com umquantizador linear que converte o sinal para o valor digital inteiro mais prximo. Com o usode software de processamento de imagens, os valores digitais de uma imagem soconvertidos em valores de brilho (tons de cinza) quando a imagem exposta em um monitorde vdeo, tal que o valor digital zero converte-se em um nvel de brilho escuro e o valordigital mximo em um nvel de brilho claro, entre eles, estabelecendo-se uma escala linear de

brilhos de tons cinza.As regies espectrais do visvel e do infravermelho da luz solar representam apenas

uma parte do sensoriamento remoto, conhecida como a faixa dos sensores pticos. Como sesabe, imagens termais podem ser obtidas da radiao eletromagntica emitida pela prpriaTerra, enquanto imagens de radar das micro-ondas podem ser adquiridas com o uso de fontesde radiao construdas pelo homem. Por isso, podemos dividir os sensores imageadoresorbitais em trs classes: sensores pticos que utilizam fonte solar de radiaoeletromagntica; sensores termais que usam Terra como a fonte de radiao; e sensores deradar que usam fontes artificiais construdas pelo homem.

Os sensores pticos (e os termais) so constitudos basicamente de trs sistemas: um

sistema ptico, um sistema de deteco e um sistema eletrnico de registro de dados, que soagrupados em uma nica unidade aeroespacial.

Sistema ptico: Constitudo de espelhos e lentes, possui a funo de focar uma rea nasuperfcie terrestre e coletar a REM por ela radiada. Os imageadores utilizam um telescpio

porttil do tipo Ritchey Chretch, que permite a observao de pequenas reas da superfcieterrestre a uma altitude de centenas

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