1
IMAGENS E ESPECTROS
As imagens são representações picturais do comportamento espectral dos alvos
Lênio Soares Galvão
� As imagens são representações espacializadas dos
mecanismos de interação da energia radiante com a
superfície;
836 nm 1651 nm 2201 nm
Lênio Soares Galvão
2
Composiçãocolorida
836 nm
1651 nm
2201 nm
Lênio Soares Galvão
NÍVEIS DE AQUISIÇÃO DE DADOS
� A caracterização espectral dos materiais é dependente do nível de aquisição de dados (laboratório, aeronave, orbital);
Lênio Soares Galvão
3
FATORES QUE AFETAM A AQUISIÇÃO DE DADOS
(1) Fatores de Origem Externa:� Geometria Sol-Alvo-Sensor (Efeitos bidirecionais);
� Efeitos Atmosféricos.
(2) Fatores dependentes do Alvo:� Tipo e composição do alvo;
� Componentes secundários da superfície (e.g., litter);
� Orientação da superfície e sombreamento;
� Efeitos do substrato;
Não há limite claro
Lênio Soares Galvão
� A resposta espectral refletida dos materiais muda de acordo com a geometria de iluminação/visada em função da condição não-Lambertiana dos alvos;
Lênio Soares Galvão
4
Fonte: Green (2003)
Ângulo de Iluminação
Lênio Soares Galvão
SZA = 53o SZA = 29o
Fonte: Galvão et al. (2004)
Dados Hiperespectrais (HYMAP) na Amazônia
Lênio Soares Galvão
5
Geometria de Visada
Lênio Soares Galvão
� Efeitos bidirecionais e a influência atmosférica associada são dependentes do comprimento de onda e da geometria de iluminação e de visada. Efeitos bidirecionais são também dependentes do tipo de alvo;
Lênio Soares Galvão
6
MISR/TerraFonte: Nasa/JPL
Lênio Soares Galvão
(b) (c)
(d)
Madeira River
Purus River
0 50km
N
(a)
Sun
Flight direction
Df
(-70.5o)
Cf
(-60.0o)
Bf
(-45.6o)
Af
(-26.1o)
An
(0o)
Aa
(+26.1o)
Ba
(+45.6)
Ca
(+60.0o)
Da
(+70.5o)
Forest Db Forest Ab
Forest As
Fonte: Xavier e Galvão (2003)
7
400 500 600 700 800 900
Wavelength (nm)
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
BRF
CAMERA and VIEW ANGLE (Degrees)
Df (-70.5)
Bf (-45.6)
An (Nadir)
Ba (+45.6)
Da (+70.5)
FOREST Db
(a)
.
.
.
.
400 500 600 700 800 900
Wavelength (nm)
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
BRF
CAMERA and VIEW ANGLE (Degrees)
Df (-70.5)
Bf (-45.6)
An (Nadir)
Ba (+45.6)
Da (+70.5)
FOREST As
(b)
.
.
.
.
Fonte: Xavier e Galvão (2003)
Lênio Soares Galvão
Fonte: Xavier e Galvão (2003)
Lênio Soares Galvão
8
� Razões de reflectância entre bandas podem reduzir (não eliminar) as mudanças espectrais produzidas por variações na orientação da superfície;
Lênio Soares Galvão
Fonte: Xavier e Galvão (2003)
Lênio Soares Galvão
9
O PAPEL DA ATMOSFERA
� A atmosfera afeta a aquisição de dados de sensoriamento remoto através de dois mecanismos: espalhamento e absorção;
Lênio Soares Galvão
Fonte: Green (2003)
Lênio Soares Galvão
10
Fonte: Green (2003)
Lênio Soares Galvão
(1) Espalhamento
� A radiação é “redirecionada” pelas partículas na atmosfera (moléculas de gases). o espalhamento tem uma contribuição aditiva na imagem;
� De acordo com a relação entre o comprimento de onda e o tamanho das partículas, o espalhamento pode ser classificado em:
a) Rayleigh : o comprimento da radiação é muito maior que o tamanho das partículas que produzem o espalhamento. O efeito é inversamente proporcional a quarta potência do comprimento de onda. É o efeito dominante em sensoriamento remoto (céu azul);
11
Fonte: Green (2003)
Lênio Soares Galvão
b) Mie : o comprimento da radiação é comparável ao tamanho das partículas que produzem o espalhamento (p. ex., fumaça e pó). Este efeito tende a influenciar maiores comprimentos de onda, quando comparado com o do espalhamento Rayleigh;
c) Não-seletivo : O comprimento de onda da radiação émuito menor que o tamanho das partículas responsáveis pelo espalhamento (p.ex., gotas de água). O efeito é não-seletivo com relação ao comprimento de onda.
Lênio Soares Galvão
12
(2) Absorção� Contrário ao espalhamento, a absorção pelos
constituintes da atmosfera (p.ex., vapor d’água, oxigênio, dióxido de carbono) em um dado comprimento de onda tem um efeito espectral subtrativo;
Reflectância de superfícieReflectância aparente
Lênio Soares Galvão
� “Janelas atmosféricas”
Lênio Soares Galvão
13
Fonte: Green (2003)
Lênio Soares Galvão
Fonte: Green (2003)Lênio Soares Galvão
14
Fonte: Green (2003)Lênio Soares Galvão
� No sensoriamento remoto, efeitos atmosféricos e bidirecionais ocorrem fortemente associados e não são facilmente separáveis;
Brazilian Amazon RegionHYMAP data (126 bands)
Lênio Soares Galvão
15
1-3
ρa (%)
3-4
4-5
5-6
0.30-0.33
0.33-0.34
0.34-0.35
0.35-0.36
0.36-0.37
0.37-0.40
Band Depth
0.60-0.75
0.75-0.80
0.80-0.85
NDVI
0
60
30
15
45
Blue
(465 nm)
Red(665 nm)
6-7
7-8
< 0.60
-30
-15
Red
(665 nm)
View
Angle (d
egrees)
Scattering Absorption
Lênio Soares Galvão
NDVI
0.85-0.92
0.75-0.85
< 0.75
Large shade components
Large sunlit components
60 -3030 0View Angle (Degrees)
N
Lênio Soares Galvão
16
AVIRIS Data - Cuiabá – Brazil) 665 nm (R) 556 nm (G) 480 nm (B) 860 nm (R) 1650 nm (G) 2300 nm (B)
Lênio Soares Galvão
� A correção atmosférica pode ser implementada através do uso de procedimentos empíricos (p.ex., dark subtractionmethod) ou de métodos físicos baseados em modelos de transferência radiativa (p.ex., código 6S ou ATREM);
� Em geral, abordagens empíricas apenas minimizam os efeitos de espalhamento atmosférico;
Histogram Minimum
Lênio Soares Galvão
17
CORREÇÃO ATMOSFÉRICA DE DADOS HIPERESPECTRAIS
� Para dados hiperespectrais, algoritmos baseados em modelos de transferência radiativa são usados para minimizar os efeitos de espalhamento e absorção atmosférica;
� O cálculo para recuperar a “reflectância de superfície” éobtido a partir do uso da própria imagem, especialmente das bandas de vapor d’água posicionadas em 940 nm e 1140 nm.
Lênio Soares Galvão
18
Fonte: Roberts (2005)
Lênio Soares Galvão
ATREM(Gao et al., 1993)
19
Fonte: Green (2003)
Lênio Soares Galvão
Fonte: Green (2003)
Lênio Soares Galvão
20
Fonte: Green (2003)
Lênio Soares Galvão
Fonte: Green (2003)
Lênio Soares Galvão
21
Fonte: Green (2003)
Lênio Soares Galvão
ESPECTROSCOPIA DE REFLECTÂNCIA
� Espectroscopia é o estudo da interação complexa da matéria com a radiação eletromagnética.
Lênio Soares Galvão
22
� Características dos Espectrômetros :
� De acordo com Clark et al. (1999), os parâmetros mais importantes que descrevem as características de um espectrômetro são : intervalo espectral, largura espectral, amostragem espectral and sinal-ruído;
� Intervalo espectral : Dependendo do intervalo espectral usado na aquisição de dados, bandas de absorção que podem identificar materiais podem não ser caracterizadas;
Lênio Soares Galvão
� Largura de Bandas : É a largura de uma banda (canal) no espectrômetro. Quanto mais estreita for a largura, melhor será a caracterização das feições de absorção, especialmente para bandas “contínuas”;
FWHM (Full Width at Half Maximum)
Lênio Soares Galvão
23
� Amostragem espectral : É a distância entre as bandas no espectrômetro;
� Sinal-ruído (S/N): É um parâmetro importante porque indica a capacidade do instrumento em detectar bandas de absorção. Depende da sensibilidade dos detetores, da largura de bandas, e da intensidade da energia oriunda de da superfície em que a medida é feita.
Fonte : Green (2003)
Lênio Soares Galvão
24
Fonte: Green (2003)
Lênio Soares Galvão
� A reflectância de um alvo (Rt) pode ser obtida pela divisão de sua radiância (Lt) pela irradiância (E), isto é, Rt = Lt/E ;
� Na prática, a abordagem mais freqüentemente utilizada é a obtenção do Fator de Reflectância Bidirecional (FRB):
FRB = (Lt/Lref) . k onde ,
Lt = radiância do alvo;
Lref = radiância de um padrão de referência (painel);
k = FRB do padrão de referência.
� Painéis para cômputo de FRB incluem BaSO4, MgO, e halon(polytetrafluoroethylene). Spectralon é um bom exemplo de um padrão de referência duro, resistente, quimicamente inerte, e lavável. Os painéis não são perfeitamente Lambertianos;
Lênio Soares Galvão
25
AQUISIÇÃO DE DADOS EM CAMPO E LABORATÓRIO
� Espectrômetros versus Radiômetros de Bandas;
� Aquisição de dados em métodos simultâneo versusseqüencial :
� Nas medidas simultâneas, as radiâncias do alvo e do painel são medidas ao mesmo tempo, o que requer o uso de dois radiômetros precisamente inter-calibrados. Erros produzidos pelas variações de irradiância devidas a atmosfera são reduzidos a custa de outros possíveis erros introduzidos pela inter-calibração;
� Nas medidas seqüenciais, as radiâncias do painel e do alvo são seqüencialmente medidas em um curto período de tempo para minimizar erros produzidos pelas variações de irradiância causadas pela atmosfera;
Lênio Soares Galvão
� De acordo com Milton (1987), algumas sugestões práticas para adquirir dados de reflectância em campo são:
(a) usar um mastro ou tripé para garantir uma geometria fixa entre o sensor, o painel de referência e o alvo;
(b) posicionar o sensor a pelo menos 1 metro acima da superfície do alvo;
(c) orientar a cabeça do sensor diretamente na direção do Sol;
(d) conferir se o painel preenche o FOV do sensor, e se ele não estásombreado pelo instrumento;
(e) tomar notas sobre a superfície do alvo e sobre as conduções de medidas (local da medida, hora, geometria de visada, altura do sensor;
(f) usar roupa escura e manter-se a uma certa distância do alvo durante a medida. erros devidos a proximidade de objetos (p.ex., posição do corpo) tendem a aumentar com o aumento do ângulo zenital solar.
Lênio Soares Galvão
26
� Outras importantes sugestões :
(a) coletar dados em dias claros. Em dias nublados, é importante replicar as medidas para minimizar os efeitos das flutuações de irradiância;
(b) obter medidas ao nadir durante um intervalo de ± 2 horas do meio-dia (pequenos valores de ângulo zenital solar) para reduzir variações na trajetória óptica da atmosfera, efeitos da geometria de iluminação, e erros devidos a condição não-Lambertiana dos painéis, e devidos aos efeitos de vizinhança dos objetos.
Lênio Soares Galvão
� No laboratório, alguns pontos importantes são:
(a) fixar a geometria de aquisição de dados (distância da superfície da amostra ao sensor);
(b) mapear o GIFOV;
(c) reduzir os efeitos de vizinhança;
(d) estabelecer o número de medidas para amostras heterogêneas e homogêneas.
Lênio Soares Galvão