PRINCPIOS FSICOS DO SENSORIAMENTO REMOTO
Peterson Ricardo Fiorio
Sensoriamento Remoto
a cincia ou a arte de se obterem informaessobre um objeto, rea ou fenmeno, atravs de dados
coletados por aparelhos denominados sensores, que no entram em contato direto com os alvos em estudo
(Crepani, 1983)
Definio:
Histrico
Origem vinculada a fotografia area Podemos dividir em dois perodos:
1860 - 1960 (fotografias areas)1960 - hoje (fotografias e imagens)
Desenvolvimento do Sensoriamento Remoto:Matemtica; Fsica; QumicaBiologia; Cincias da Terra e Computao.
Histrico
1862 - Guerra civil americana (corpo de balonistas) 1909 - Fotografias tiradas de avies 1914 - I Grande Guerra Mundial 1939 - II Grande Guerra Mundial 1945 (49) - 1989 (muro Berlim) 1991 Guerra Fria
- U2 - Corrida espacial
Hoje....
Qual o verdadeiro interesse no Sensoriamento Remoto?
Princpios Fsicos do SR
Aquisio/Armazenamento/Processamento
R.E.M.
Alvo
Sensor
Plataforma
Comp. Espectral
INPE
Imagens
Princpios Fsicos do SR
Natureza da Radiao Eletromagntica (REM)
Transferencia de Energia: Conduo
transferencia de energia cintica de tomos ou molculaspelo contato entre elas
Conveco o processo de deslocamento fsico da matria em gases ou lquidos
Radiao a energia transferida atravs do espao sem necessitar
de um meio fsico
SR - radiao - emitida por qualquer corpo (0 graus absoluto)
Princpios Fsicos do SR
Energia Radiante ou Radiao Eletromagntica (REM)
a energia transportada em forma de ondas eletromagnticas, sendo de especial importncia para o SR pois no necessita de um meio fsico para se propagar. atravs dela que uma informao transmitida do objeto ao sensor. Ela gerada pelas transformaes de outras formas de energia tais como: cintica, qumica, eltrica, magntica e nuclear. Capaz de realizar trabalho, provocar aquecimento e mudana de estado fsico
Princpios Fsicos do SR
Radiao Eletromagntica (REM)
fComprimento de onda Freqncia
Princpios Fsicos do SR
Radiao Eletromagntica (REM)
Modelo Ondulatrio (Maxwell, HooKe)a propagao da energia se faz atravs de movimentos ondulatrios,
de um ponto a outro no espaa com velocidade 3.108 m/s - Comprimento de onda: a distncia entre dois mximos sucessivos
(unidade metros)f - Freqncia: o numero de ondas que passam por um ponto do espao
num determinado tempo (unidade Hertz)C - velocidade de propagao
f = Cf
Princpios Fsicos do SRRadiao Eletromagntica (REM)
Modelo Corpuscular (Planck, Einstein)preconiza que a energia se propaga pela emisso de um fluxo de
fotns que se movem a velocidade da luz no vcuo (3.108 m/s)(processos de absoro e emisso da energia radiante)
E = h.fE - energia dos ftonsh - constante de Planck (6.626 x 10-34 watts)f - freqncia
= h.CEquando a intensidade da radiao (energia incidente por segundo por
unidade de rea), de uma dada freqncia aumentada, mais ftons so recebidos por uma superfcie, mas a energia de cada um deles no aumenta
Princpios Fsicos do SR
Espectro Eletromagntico
Comportamento espectral de Alvos
Espectro EletromagnticoPrincpios Fsicos do SR
< 0.003 nm - Raios Gama: Origem nuclear, alto poder de penetrao; 0,003 - 100nm - Raios X: Altamente penetrante, origem atmica; 100 - 400nm - Ultravioleta: Atenuao pela atmosfera (dificulta seu uso - poluio marinha e deteco de minerais; 400 - 760nm - Luz visvel: Sensao de viso ao olho humano; 760 - 3.000nm - Infravermelho: absorvido pela maioria das substncias produzindo aquecimento, minerais de argila e radicais OH; 3.000 - 15.000nm - Infravermelho trmico; 15.000nm - 0.1 cm - Infravermelho distante; 0.1cm - 30 cm - Microondas: Radar, pouca atenuao da atmosfera; > 30cm - Ondas de Rdio: comunicao, longas distncias ( f; )
....
Nuvem
Princpios Fsicos do SRLuz Visvel (400nm - 760 nm):
- violeta (400 - 460 nm)- anil (460 - 475 nm)- azul (475 - 490 nm)- verde (490 - 565 nm)- amarelo (565 - 575 nm)- laranja (575 - 600 nm)- vermelho (600 - 760 nm)
Infravermelho (760 nm - 3.000 nm):- IV prximo (760 - 1.500 nm)- IV curto (1.500 - 3.000 nm)
COMPRIMENTO DE ONDA
IR R G B
B G R IR
Princpios Fsicos do SR
Interao da energia eletromagntica com o objeto terrestre absoro reflexo transmisso
i = r + a + ti = i + i + i
1 = + + Refl
ectn
ciaAb
sort
ncia
Tran
smit
ncia
Fluxo incidente = fluxo refletido + fluxo absorvido + fluxo transmitido
Princpios Fsicos do SR
ReflectnciaA Reflectncia uma propriedade do alvo, no sendo
possvel de se medir com equipamentos comuns. Dessa forma, utiliza-se de um artifcio matemtico, para caracterizar a propriedade de um alvo) conhecido como Fator de Reflectncia.
Fator de ReflectnciaO fator de reflectncia uma relao existente entre a
radincia do alvo e a radincia de uma placa padro (Superfcie Lambertiana - 100 % de reflectncia)
FR = L alvo/L placa
Fator de ReflectnciaPrincpios Fsicos do SR
L - radincia
a . Ei
p . Eipipipipi
pipipipi
Para as mesmas condies de(geometria, iluminao e pequeno
espao de tempo) temos:
FR = a / pPlaca (sup. Lambertiana):
100% reflectncia = 1
FR = a~
Princpios Fsicos do Sensoriamento Remoto
Onde aplicar????Como usar???
TM - LANDSAT 5 -7Imagem OrbitalComposio RGB
Banda 3 - VermelhoBanda 4 - VerdeBanda 5 - Azul
Lanamento 05/03/84 Altitude 705 km Resoluo temporal- 16 dias Resoluo espacial- 30 m (pixel 0,09 ha)- 120 m (banda 6)- 15 m (pan. Landsat 7) Imagem inteira
- 185 km x 185 km Bandas (microns)- 1 (0,45-0,52) Azul- 2 (0,52-0,60) Verde- 3 (0,63-0,69) Vermelho- 4 (0,76-0,90) I. Prximo- 5 (1,55-1,75) I. Mdio- 6 (10,4-12,5) I. Termal- 7 (2,08-2,35) I. Mdio- Pancromtica (0,52-0,90)
SolosReflectncia
Matria Orgnica Ferro
Umidade Textura
12
630
640
650
660
670
680
690
700
710
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
550
560570
580
590
600610
620
630
640650
660
670
680690
700
710
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200
RQoLVd-1LVAd-1
PVd-2
PVAd-2
LVd-2LVd-1
.
. Mudana de unidade de mapeamento
Drenagem da rea
TOPOSSEQUNCIA 1
RQo
LVd-1
PVe-3 CXbe-3
LVd-3
LVd-1
..
.
..
LVd-1
LVd-1PVe-2
.Mudana de unidade de mapeamento
Drenagem da rea
TOPOSSEQUNCIA 2.
Distncia (m)
..
. .
Alt i
met
r ia
(m)
05
10
15
20
25
30
35
TM_1 TM_2 TM_3 TM_4 TM_5 TM_7Bandas
F
a
t
o
r
d
e
R
e
f
l
e
c
t
n
c
i
a
RQo (mdia) CX (mdia)LVA (mdia) LV (mdia)PA (mdia) NV (mdia)PV (mdia) PVA (mdia)
Mtodo de levantamento de solos utilizando curvas espectrais
Mtodo de levantamento de solos utilizando curvas espectrais
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
450 700 950 1200 1450 1700 1950 2200 2450
RQo LVd LVe LVef NVef NVefpp CXef
Caulinita2:1H2O
GoethitaHematita
Matria Orgnica
Comprimento de onda (nm)
F
a
t
o
r
d
e
R
e
f
l
e
c
t
n
c
i
a
Radiao solar
99% da energia solar que atinge a Terra encontra-se na faixa de 0,28 a 4 m. (70% 0,3 a 0,7 m)
A mxima irradincia espectral ocorre em 0,55m, que corresponde mxima eficincia visual (cor verde);
Energia solar incidente no topo da atmosfera
Energia solar incidente na superfcie terrestre
)
En
egia
In
ciden
te
o
A
Atenuao Atmosfrica
A energia eletromagntica ao atravessar a atmosfera absorvida, refletida e
espalhada pelos gases presentes nela.
Os gases atmosfricos absorve espectralmente a REM.
Processos de Atenuao Absoro: a REM seletivamente absorvida pela
atmosfera atravs de seus vrios constituintes (ex.: oznio, no visvel) janelas atmosfricas
Espalhamento: a energia modificada pela mudana de direo
a) Espalhamento molecular (ou Rayleigh) = >> dd = dimetro da partcula
espalhamento ~ 1/ 4b) Espalhamento Mie:
~ d espalhamento~ 1/ 2 ou 1/ c) Espalhamento no-seletivo:
Gases Radiativamente Ativos
Atmosfera absorve toda a REM na faixado IR acima de 14 m
Atenuao AtmosfricaJanelas Atmosfricas: regies do espectro eletromagntico onde a absoro atmosfrica muito pequena. Nestas regies a atmosfera quase transparente energia eletromagntica.
Transmitncia Espectral da Atmosfera Terrestre
Comprimento de Onda (m)
Janelas Atmosfricas
Manifestaes da Interao REM x Atmosfera:
Atenua e modifica a REM refletida ou emitida pelo alvo (ex.: H2O no IV)
Espalhamento atmosfrico
Modifica a distribuio espacial e espectral da REM no alvo
Interaes da REM com a atmosfera
SINAL COLETADO DO SENSOR
a radiao proveniente do Sol interage com a atmosfera at atingir o alvo e retorna ao sensor interagindo novamente com a atmosfera
Fontes de Energia Radiante Recebidas por um Satlite
a) Emisso da Superf.b) Contribuio do oceanoc) Energia solar Refletidad) Energia solar espalhadae) Emisso atmosfricaf) Emisso das nuvensg) Reflexo da radiao
emitida pela nuvem
No inclui emisso atmosfrica: h) Refletida e i) Espalhada
Atenuao Atmosfrica Atenuao de uma parcela d L da radincia espectral aps interagir
com um volume elementar de matria com comprimento ds situado na posio s de um certo caminho tico
d L = - L . (,s) d s Integrando de s1 a s2 tem-se:
L (,s2) = - L (,s1) .exp [(,s1,s2) ds Lei de Beer
(,s1,s2) = s1s2 (,s) d s a espessura tica do meio atravessado para o comprimento de onda ()
entre as posies s1 e s2 do caminho tico percorrido pelo feixe de radiao
Atenuao AtmosfricaA transmitncia (,s1,s2), a espessura tica (,s1,s2) e a distribuio de valores (,s) quantificam a interao do feixe de radiao com todas as partculas presentes entre s1a s2 tanto por absoro quanto por espalhamento, j que pela conservao de energia
(,s1,s2) = 1 (,s1,s2) (,s1,s2) Lei de Kirchhoff
Atenuao Atmosfrica
Considerando a ocorrncia simultnea da absoro e espalhamento da radiao por um mesmo tipo de partcula, tm-se:
(,s) = a(,s) + e(,s) onde a(,s) o coeficiente linear de absoro e be(l,s) o coeficiente
linear de espalhamento
(,s1,s2) = exp [(,s1,s2)] (,s1,s2) = exp [ s1 s2 a(,s) d s s1 s2 e(,s)(,s) d s]
(,s1,s2) = exp [a(,s1,s2) e(,s1,s2) ] = a(,s1,s2) . e(,s1,s2)
a(,s1,s2) a transmitncia associada a absoro e te(,s1,s2) a transmitncia associada ao espalhamento
Nveis de Coleta de Dados
Nvel orbital ou plataforma espacial
Nvel suborbital plataforma area plataforma terrestre
campo laboratrio
Importncia da plataforma terrestre verdade terrestre para as outras
plataformas eliminao da atmosfera terrestre
Solo
Aeronave
Bales
Satlites Nveis de Coleta de dados
BarcoBias
Plataforma Espacial Sistemas sensores a bordo de
satlites artificiais.
Cobertura repetitiva da Terra.
Monitoramento dos recursos naturais de grandes reas.
Melhor relao custo/ benefcio
Conceito de Pixel Nvel de cinza
BANDA FAIXA ESPECTRAL (m) APLICAES
1 0,45-0,52(azul) MAPEAR GUAS COSTEIRASDIFERENCIAR: SOLO E VEGETAO DIFERENCIAR : CONFERA E DECDUA
2 0,52-0,60(verde) MAPEAR VEGETAO QUALIDADE D'GUA
3 0,63-0,69(vermelho) ABSORO DA CLOROFILA DIFERENCIAR ESPCIES VEGETAIS REAS URBANAS, USO DO SOLO AGRICULTURA QUALIDADE D'GUA
4 0,76-0,90(IR prximo)
DELINEAR CORPOS D'GUA MAPEAMENTO GEOMORFOLGICO MAPEAMENTO GEOLGICO REAS DE QUEIMADAS REAS MIDAS AGRICULTURA VEGETAO
5 1,55-1,75(IR mdio) USO DO SOLO MEDIDAS DE UMIDADE DE VEGETAO DIFERENCIAR NUVEM E NEVE AGRICULTURA VEGETAO
6 10,40-12,50(IR termal) MAPEAR ESTRESSE TRMICO EM PLANTAS CORRENTES MARINHAS PROPRIEDADES TERMAL DO SOLO OUTROS MAPEAMENTOS TRMICOS
7 2,08-2,35(IR mdio) IDENTIFICAR MINERAIS MAPEAMENTO HIDROTERMAL
APLICAES DO SENSORIAMENTO ESPECTRAL
RIO DE JANEIRO
BANDA 2
BANDA 3
BANDA 1
BANDA 4
BANDA 6 BANDA 7BANDA 5
Imagem gerada pelo INPE/DGI
RIO DE JANEIROImagem gerada pelo INPE/DGI
Combinao de duas bandas noIR possibilita uma maior
diferenciao entre solo e gua.
Tipos e condies de vegetaes
reas urbanas e solos expostos
gua
COMBINAO DE BANDAS 3, 4, 5azul, verde, vermelho
COMBINAO DE BANDAS 1, 2, 3(azul, verde, vermelho)
RIO DE JANEIROImagem gerada no INPE/DGI
Reala informaes sobre:- regies de guas rasas;- turbidez;- correntes; e- sedimentos em suspenso.
reas Urbanas
Vegetao
Imagens de SatliteCanal de So Sebastio
LANDSAT5: TM 45-PAN SPOT: RGB54-PAN
26/07/9716/05/99
Imagens geradas no INPE/DGI
Imagens De SatliteBraslia
Imagens de SatliteEncontro dos Rios Negro e Solimes
Plataforma Area
Aeronaves areas estveis Sensores de varredura ptico-
eletrnico; fotogrficos, e/ou radar
Possibilidade de: coleta de dados e imagens
muito detalhadas obteno de dados de qualquer
local obteno de dados a qualquer
hora Problema custo
PLATAFORMA TERRESTRE Campo ou Laboratrio Sistema Sensor
espectroradimetro radimetro
Sistema sensor posicionado prximo ao alvo trip mastro andaime torres
Elimina o efeito da atmosfera Verdade Terrestre
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