1Fundamentos

Autor: Gil GonalvesDisciplina: Deteco Remota AplicadaCurso: Mestrado em Engenharia GeogrficaAno Lectivo: 07/08

Contedo

Deteco Remota: i) Definio; ii) DR vs. Fotogrametria Elementos de Deteco Remota Emisso da Radiao ElectroMagntica e interao com a

matria Conceitos importantes sobre resoluo de sensores pticos

Resoluo espacial Resoluo radiomtrica Resoluo espectral Resoluo temporal

Plataformas de aquisio Reviso histrica Plataformas terrestres, aerotransportadas e espaciais

Sensores pticos: alta resoluo espacial (Quickbird e Ikonos) e mdia resoluo (Landsat)

Aplicaes e exemplos prticos

2Fotogrametria: definio

Cincia e arte de determinar a poso e forma de objectos a partir de fotografia

O processo de reconstruir objectos sem os tocar Mtodo de posicionamento sem contacto Questo: qual a diferena entre a deteco remota e a

fotogrametria? A fotogrametria trata da medio das propriedades

geomtricas dos objectos A deteco remota focaliza-se na determinao do

material e das condies da superfcies baseando-se nas suas propriedades da radiao electromagntica reflectida pelos objectos

A fonte desta energia electromagntica pode ser o Sol ouuma outra fonte prpria (ex. luz laser).

Deteco remota: definio

Chamamos detecoremota ao processo de obter informao sobre um objecto utilizando um sensor o qual est separadofisicamente do objecto.

A deteco remota assentanos sensores os quaisdetectam a energia emitidaou reflectida pelosobjectos.

A viso humana o exemplo mais vulgar de um sistema de detecoremota.

3Elementos de deteco remota A Fonte de energia

A fonte de energia que ilumina ou fornece a energiaelectromagntica ao alvo de interesse

B Radiao e a atmosfera Como a energia viaja da fonte para o alvo entra em

contacto e interage com a atmosfera. Esta interacoacontece novamente quando a energia viaja do alvo parao sensor

C Interao com o alvo A energia atravessa a atmosfera e interage com o alvo.

O resultado desta interaco depende das propriedadesespectrais do alvo e da radiao

D Registo da energia pelo sensor A energia emitida/difundida pelo alvo registada pelo

sensor

E Transmisso, recepo e processamento A energia registada transmitida, muitas vezes na forma electrnica para uma

estao de recolha e processamento onde os dados so convertidos numa imagem(suporte papel ou digital)

F Interpretao e anlise A imagem processada interpretada, visualmente ou digitalmente, a fim de extrair

informao sobre o alvo que foi iluminado. G Aplicao

A informao extrada aplicada a fim de: i) obter um melhor conhecimento do objecto; ii) revelar uma nova informao ou iii) resolver um problema particular

Radiao electromagntica: fontes e princpios de radiao

Formas de Energia Electromagntica (EE): luz visvel, ondasde rdio; raios ultravioletas; raios X; luz laser;

Toda esta energia irradia de acordo com a teoria ondulatriaque descreve a EE viajando no espao duma forma sinosoidal, velocidade da luz (c = 3x108 m/s)

v=c

4Radiao electromgntica: teoriacorpuscular

importante para explicar como a REM interage com a matria. Nesta teoria a REM composta por inmeras partculas (unidades discretas) denominadas fotes(ou quanta) A energia de 1 quantum (Q a quantidade de energia em Joules (J), h a constante de Planck (h = 6.626 x 10-34 Js) v a frequncia

Os dois modelos de radiao (ondulatrio e corpuscular) podem ser relacionados

Esta equao diz-nos que a energia dum quantum (Q) inversamente proporcionalao seu comprimento de onda.

Os sensores que funcionam com bandas de maiores ( ex. Bandastermicas do Landsat, tm de receber a REM dum elemento de terreno de amiores dimenses para que a quantidade de energia que chega ao sensor seja detectvel.

Os sensores de alta resoluo espacial (i.e que detectam a REM de parte de elementos de terreno de pequenas dimenses) ficam limitados a comprimentos de onda mais curtos como as bandas do VIS e do PIR

vh=Q

ch=Q /

Espectro electromagntico

Em DR comum caracterizar a REM pela localizao do seu no espectroelectromagntico (ee). A unidade de referncia no ee o micron (1m = 1x10-6m) So associados nomes a determinadas zonas do ee para maior comodidade nareferncia de determinadas formas de REM Zona do visvel corresponde sensibilidade espectral do olho humano[0.4m,0.7m] .

Cores primrias aditivas: azul (blue), verde (green), vermelho (red) Ultravioleta (UV): alguns materiais superfcie da terra, rochas e mineraisprimrios, ficam fluorescentes ou emitem luz visvel quando iluminados pelaradiao UV Infravermelhos (IR): IR prximo (PIR) [0.7m,1.3m]; IR mdio[1.3m,3.0m] ; IR trmico [3.0m,14m] Microondas [1mm,1m]

5Terminologia grandezasradiomtricas

Energia (E) a capacidade de um sistema para realizar trabalho. expressa emJoules (J) A energia radiante (ER) ou quantidade (Q) de energia transportada pela REM determina a capacidade da REM para produzir alteraes nos objectos em queincide, alterando a sua temperatura ou estado fsico. Algumas grandezas radiomtricas:

o FR por unidade de ngulo slido que deixa uma fonte de radiao (no pontual), numa dada direco, por unidade de rea projectada da fonte nessa direco.

L = dI/(dAcos) (watt estrad-1m-2)

Radincia

o FR por unidade de ngulo slido que deixa uma fonte pontual de REM, numa dada direco

I = d/d(watt/estrad)

Intensidade Radiante

o FR que chega (irradincia E) a uma unidade de rea de uma superfcie plana, ou que parte (exitncia M), por reflexo ou emisso da unidade de rea da superfcie plana

E,M=d/dA(watt/m2)

Densidade de FR

a ER transmitida por unidade de tempo, atravs duma superfcie=dQ/dt(Joule/s=watt)

Fluxo radiante (FR)

a quantidade de ER por unidade de volumeW=dQ/dV (Joule/m3)Densidade de ER

Energia transportada ela REMQ (Joule)Energia radiante (ER)

DescrioDesignao e frmulaGrandeza Radiomtrica

Grandezas radiomtricas: Radincia

Os sensores pticos instalados em plataformas espaciais medem a radincia dos objectos situados superfcie. Para cada elemento de rea do terreno, o sensor regista um valor (inteiro codificado em 8,12,16 bits) proporcional radincia desse elemento de rea

6Nvel radiomtrico

Os sensores pticos instalados nas plataformas areas e espaciais medem a radincia dos objectos superfcie da Terra.

Para cada elemento de rea do terreno, a informao registada por cada banda espectral, um nmero inteiro proporcional radincia desse elemento de rea.

Em geral, os dados numricos (imagem) que o utilizador recebe para processamento consiste num conjunto de matrizes inteiras, tantas quantas as bandas espectrais em que a imagem foi registada

Cada elemento da matriz designado por pixel e o seu valor numrico designado por nvel de intensidade ou nvel radiomtrico (NR) ou Digital Number (DN)

Emisso de REM

Todos os corpos que se encontrem a uma temperatura superior ao zero absoluto emitem REM

Esta REM gerada por transformao de outras formas de energia (cinemtica, trmica, elctrica, magntica, nuclear, etc.)

Em DR as principais fontes de energia so o Sol e a superfcie terrestre

O estudo das caractersticas da emisso de REM pelos corpos (objectos) feito a um corpo padro ideal chamado corpo negro (CN).

Um CN uma irradiador ideal que absorve e emite toda a REM que sobre ele incide sem variar a sua temperatura.

A energia emitida por um corpo , em primeira aproximao, funo da sua temperatura.

O comprimento de onda dominante o comprimento de onda em relao ao qual a curva de radiao de um corpo negro atinge um mximo.

Os objectos temperatura ambiente superfcie da Terra (27C ou 300K) apresentam um comprimento de onda 9.7m

7Interaco da REM com a matria

A REM que incide sobre os objectosinterage com a matria:

Por absoro Por reflexo Por transmisso

A intensidade da REM reflectida, absorvida ou transmitida depende do comprimento de onda, do ngulo de incidncia, do tipo de matria queconstitui o corpo e das suascaractersticas fsicas.

Equao do balano energtico

( ) ( ) ( ) ( )ER+ER+ER=ER ReflTransAbsoInc

Energia radiante incidentesobre um dado objecto

Interao da REM com a matria -definies

Definies Irradincia definida como a densidade de

fluxo radiativo Albedo espectral definido para um

determinado comprimento de onda espectral pela razo

Absortncia, Refletncia, Transmitncia

Relao entre absortncia, refletncia e transmitncia (I=unidade de energia; A= absortncia, T= Transmitncia, R= reflectncia)

( ) ( )( ) ;ERER

=AInc

Abso ( ) ( )( ) ;ERER

=RInc

Refl

T+R+A=I

( ) ( )( ) ;ERER

=TInc

Trans

Para um mesmo ngulo de incidncia diferentes materiais apresentam diferentes valores de reflectncia, sendo que esta varia em funo da composio dos corpos e da sua textura.

8Interaco da REM com a matria: reflectncia

Como a maioria dos sistemas passivos de DR registam a REM reflectida pela superfcie terrestre o parmetro reflectncia fundamental na anlise entre a REM e a superfcie terrestre.

A REM reflectida que entra no campo de vista do sensor convertida num valor numrico

A resposta espectral dum objecto superfcie da Terra depende das suas caractersticas fsicas e do ngulo de vista do sensor, da orientao do Sol (azimute) e da sua altura acima do horizonte (elevao) que condicionam o ngulo de incidncia da REM na superfcie terrestre

Para o mesmo ngulo de incidncia, diferentes materiais apresentam diferentes valores de reflectncia.

A reflectncia varia em funo da composio dos corpos e da sua textura

Interaco da REM com a atmosfera

A atmosfera terrestre pode ter um enorme efeito sobre a intensidade e composio espectral da REM que chega ao sensor

Estes efeitos dependem do trajecto percorrido por ela, da intensidade do sinal que est a ser detectado das condies atmosfricas e do comprimento de onda envolvido.

A interaco da REM com a atmosfera d-se por absoro e disperso. A absoro faz com que parte da energia reflectida ou

emitida pelos objectos no atinja os sensores

9Janelas atmosfricas e comprimentos de onda utilizados pelo sensor

http://www.unesco.org/csi/pub/source/rs8.htm

Efeitos atmosfricos nas imagens de DR

A avaliao das caractersticas da superfcie terrestre tem como base a medio da radincia ascendente que emerge da atmosfera na direco do sensor.

Para a aplicao das correces atmosfricas a imagens de satlite realiza-se a modelao do processo de propagao da REM na atmosfera, ou seja, o seu percurso descendente, a sua interaco com a superfcie e o seu percurso ascendente at ao sensor a bordo do satlite.

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Interaco da REM com a superfcie

O grfico da reflectncia espectral de um objecto em funo o seu comprimento de onda designado por curva de reflectncia espectral.

As curvas de reflectncia espectral da vegetao, solo e gua so distintas. O grau de separao da reflectncia espectral est relacionado com a zona do espectro electromagntico em que os sensores operam.

As curvas de reflectncia espectral permitem estimar sobre o tipo e/ou condio dos objectos, fenmenos ou reas em estudo, pelo que se designam vulgarmente por assinaturas espectrais

Interaco da REM com a superfcie

Embora muitos elementos superfcie da Terra manifestem diferentes caractersticas espectrais de reflectncia, tais caractersticas passam a designar-se de Padres de Resposta Espectral , em vez de Assinaturas Espectrais.

De facto, o termo assinatura implica um padro que nico e absoluto em termos da resposta espectral dos elementos superfcie da Terra, o que no verdade, pois os padres de resposta espectral medidos por sistemas de Deteco Remota so quantitativos e no nicos.

Na realidade, os Padres de Resposta Espectral no so necessariamente nicos mas geralmente distintos.

Sandra-PCHighlight

Sandra-PCHighlight

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Interaco da REM com a vegetao

As caractersticas espectrais do coberto vegetal variam consideravelmente no tempo e no espao.

Apesar de cada espcie apresentar caractersticas espectrais especficas, estas podem variar em funo da zona geogrfica em que se encontram e das estaes do ano.

A reflectncia espectral da vegetao apresenta uma grande variao em funo do comprimento de onda. No VIS, a pigmentao domina a resposta espectral, sendo o teor em

clorofila o factor mais condicionante. A clorofila absorve fortemente a REM nos comprimentos de onda de 0.45 a

0.65 No PIR a reflectncia aumenta porque a vegetao absorve muito pouca

radiao nessa banda. No IR mdio a vegetao verde absorve fortemente a radiao nos

comprimentos de onda 1.4, 1.9 e 2.7 devido presena do alto teor em gua Exemplo: as rvores decduas diferenciam-se das conferas pelos valores

superiores de reflectncia na banda do PIR (no visvel os valores so semelhantes)

Interaco da REM com o solo

As curvas de reflectncia espectral dos solos reflectem essencialmente o teor em gua, a sua textura, a rugosidade da superfcie, as caractersticas fsicas e qumicas dos seus constituintes e o teor em matria orgnica.

O aumento do teor em gua produz uma diminuio dos valores de reflectncia dos solos diminuindo a amplitude da curva de reflectnciaespectral e acentuando ligeiramente espectral e acentuando ligeiramente o efeito das bandas de absoro.

O teor em matria orgnica, assim como o seu grau de decomposio, que permite avaliar a aptido dum solo para a agricultura outro factor que influencia a sua reflectncia.

A informao disponibilizada pela banda do infravermelho trmico de grande utilidade quando se pretende avaliar a qualidade dos solos

Um solo que apresenta valores de reflectncia baixos no visvel e mantm valores baixos no infravermelho trmico, um solo que apresenta valores baixos no visvel e valores altos no infravermelho trmico um solo relativamente seco, que contm um alto teor em matria orgnica.

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Interaco da REM com a gua

A gua apresenta uma curva de reflectnciaespectral muito caracterstica, devido ao facto de absorver totalmente a REM para comprimentos de onda acima do visvel e logo no reflectir praticamente nenhuma radiao nos comprimentos de onda do infravermelho.

Se o objectivo for a anlise da qualidade da gua, as bandas do visvel

Comprimentos de onda das bandas espectrais do Spot

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Exerccios prticos

Adquira, via internet, uma imagem do satlite Landsat 7 para uma rea situada em Portugal. A) Indique o procedimento

utilizado para adquirir a imagem

B) Caracterize a informao recebida.

Caso tenha dificuldades nesta operao utilize o extracto disponibilizado para o efeito

Formato da informao recebida:LLfppprrr_rrrYYYYMMDD_AAA.TIF where:

LL = Landsat sensor (LE for ETM+ data; LT for TM data)

f = ETM+ data format (1, 2, or G) (characteromitted

from TM file name)ppp = starting path of the productrrr_rrr = starting and ending rows of the productYYYYMMDD = acquisition date of the imageAAA = file type:

B10 = band 1B20 = band 2B30 = band 3B40 = band 4B50 = band 5B61 = band 6L (low gain)B62 = band 6H (high gain)B70 = band 7 B80 = band 8MTL = Level-1 metadataGCP = ground control points

TIF = GeoTIFF file extension

Resolues

Definio: Capacidade que um sistema ptico tem de distinguir dois objectos que esto espacialmente prximos ou que so similares em termos espectrais.

As caractersticas dos sistemas de deteco remota podem ser descritas pelos seguintes tipos de resolues: Resoluo espacial Resoluo radiometrica Resoluo espectral Resoluo temporal

Estas resolues condicionam a nossa capacidade para interpretar dados de deteco remota

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Resoluo espacial

A resoluo espacial define a quantidade de detalhe discernvel numa imagem

O tamanho da entidade mais pequena que pode ser detectada

Em geral a resoluo espacial depende do IFOV (instantaneous field of view), A, de um sensor

O IFOV o cone angular da visibilidade do sensor

A projeco do IFOV na superfcie terrestre conhecida por resoluo da clula (B) ou GSD

GSD = (H/f)*pixelsize A resoluo espacial controlada principalmente

pela distancia entre o sensor e o alvo (C) Para uma entidade homognea ser detectada o seu

tamanho dever em geral ser maior do que a resoluo da clula

Se a entidade for mais pequena, esta pode no ser detectada se apenas for detectado o brilho mdio de todas as entidades presentes nesta clula

No entanto, podem ser detectadas entidades mais pequenas se a sua refletncia domina dentro de uma dada clula de resoluo permitindo a deteco de sub-pixeis ou clula de sub-resoluo

Exemplo: Um sensor espacial tem pixeisquadrados do tamanho 0.015mm e uma distancia focal de 1000mm. Qual o IFOV? Qual o GSD no nadir assumindo uma altitude orbital de 650km?

Resoluo espacial - exemplos

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Resoluo espectral

A resoluo espectral descreve a capacidade do sensor para definir pequenos intervalos de comprimento de onda

Quanto mais fina for a a resoluo espectral, mais estreita ser a amplitude de comprimento de onda de um canal ou banda particular

Os filmes a preto e branco registam comprimentos de onda que ultrapassam em muito a parte visvel do espectro electromagntico

Os filme a cores so sensveis, individualmente, energia reflectida nos comprimentos de onda do azul , verde e vermelho

Os filmes a cores tm uma maior resoluo espectral quando comparados com os filmes a preto e branco.

Os sensores multi-espectrais registam a energia em vrios intervalos separados de comprimentos de onda

Os sensores multi-espectrais avanados chamados hiper-espectrais, detectam centenas de bandas espectrais muito estreitas sobre as partes visveis, prximo infravermelho (near-infrared) meio-infravermelho (mid-infrared) do espectro electromagntico

Tais sensores possibilitam descriminaes finas entre diferentes alvos baseando-se nas suas respostas espectrais em cada uma dessas bandas estreitas

Resoluo espectral - exemplo

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Scanner multi-espectral

Caracterizao da imagem resoluoradiomtrica

A resoluo radiomtrica de um sistema de aquisio de imagem descreve a capacidade para descriminar pequenssimas diferenas na imagem registada

Quanto mais fina for a resoluo radiomtrica do sensor maior ser a sua sensibilidade para detectar pequenas diferenas na energia reflectida ou emitida.

Para imagens digitais a resoluo radiomtrica definida pelo nmero de bits utilizado para codificar os valores de cinzento

Comparando uma imagem de 2-bit com uma imagem de 8-bit, podemos ver que existe uma grande diferena no nvel de detalhes discernvel

Exemplo de 2n nveis radiomtricos (n bits)

8 bits (0 255) 4 bits (0 a 15)

2 bits (0 4) 1 bits (0 a1)

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Resoluo temporal

Perodo de tempo que um sensor necessita para voltar de novo a obter imagens sobre a mesmarea.

H uma srie de fenmenos que, para serem analisados e avaliados, necessitam de imagens obtidas nos seusperodos crticos, como o casodo acompanhamento do crescimento de certos tipos de plantas, ou da evoluo de cheiase mars negras.

O perodo orbital do satliteLANDSAT 7 so 98.9 minutos. Em 24 horas percorre 14.5 rbitas, e sobre o Equador o trao desloca-se 2875km paraOeste, ou seja, precisa de 233 rbitas, 16 dias, para passar de novo sobre um dado lugar.

Sensores e suas resolues

1- Tamanho da imagem; um = 10^-6 m; P= pancromatico; X = multiespectral

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Bandas espectrais do sensor Landsat 7 (ETM+)

Combinao das resolues espectrais e espaciais segundo a aplicao

Fonte: LH-Systems, 2004. http://www.leica-geosystems.com

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Plataformas espaciais

Principais agentes de Deteco Remota: Sensor: Medio (eventualmente de sinais emitidos) e registo das radiaes

(sinal) Plataforma: dispositivos de orientao das radiaes, de controlo

programado e de alimentao do sistema de aquisio Vector: sistema de transporte da plataforma

Em geral, os sensores que registam imagens de Deteco Remota so transportados por satlites artificias da Terra que se deslocam a diferentes velocidades e cujas orbitas se desenvolvem a altitudes diferentes.

As principais caractersticas que permitem distinguir as rbitas das plataformas de DR, e que condicionam a informao adquirida pelos sensores que estas transportam so a geometria da rbita e a velocidade e atitude da plataforma na rbita.

Classificao dos satlites em funo da orbita Satlites com orbitas quase polares e heliossncronas Satlites com orbitas equatoriais e geossncronas Satlites com orbitas gerais

Elementos de rbitas de satlites

Satlites geoestacionriospossibilitam um tempo de amostragem quase contnuo sobre certas regies da Terra

Estes satlites so geosincronos, o que significa que as suas rbitas esto sincronizadas com a rotao da Terra (levam 24h a completar uma rbita)

Quando estes satlites orbitam sobre o equador, com zero inclinao, esto tambm geoestacionrios (fixos) relativamente a um ponto sobre o equador (observam a Terra sem qualquer movimento relativo significante)

Existe apenas uma rbita para a qual o satlite pode ser geoestacionrio: para termos um perodo orbital de 24h, necessrio uma altitude orbital de 35780km a que corresponde uma velocidade de 3.07km/s

Um ponto equatorial viajar a uma velocidade de 0.465 km/s

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rbitas de satlites - classificao

rbitas geoestacionrias (inclinao zero) rbitas geo-sincronas

rbitas de pequena inclinao rbitas quase polares

rbitas solar-sincronas

Geometria orbital

Leis de Kepler 1 Lei: a rbita dum satlite em

torno da Terra uma elipse em que o centro de massa est num dos focos

2 Lei: a linha que liga o satlite Terra varre reas iguais em intervalos de tempo iguais

3 Lei: o quadrado do perodo da orbita do satlite proporcional ao cubo do seu semi-eixo maior.

Lei de Newton A atraco gravitacional entre

dois objectos directamente proporcional ao produto das suas massas e inversamente proporcional ao quadrado das distncias dos seus centros

Excentricidade(orb e):0

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Movimento da plataforma

Para podermos posicionar em cada instante o satlite na orbita temos os seguintes parmetros (alm dos parmetros orbitais): Anomalia verdadeira

(v): Anomalia excntrica

(E) Anomalia mdia (M):

EeEM sin=

2tan

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2tan

v

e

eE+

=

Plataformas espaciais

Vantagens Capacidade de observao sobre uma larga zona da Terra Baixa relao preo/qualidade rbitas no influenciveis pela atmosfera Cobertura terrestre global Resoluo utilizveis para cartografia at 1:10K (1:5k ?) Adaptveis a fins militares

Desvantagens Grande distncia ao objecto Sobre todos os efeitos da atmosfera Resoluo limitada rbitas fixas a nvel temporal e espacial Tecnologia a bordo inaltervel Quase impossibilidade em resolver problemas tcnicos a bordo.

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Aplicaes da deteco remota

Meteorologia Agricultura Floresta Oceanografia Cartografia Proteco civil Monitorizao

ambiental Recursos

naturais

Militares Meteorologia

Agricultura

Oceanografia

Fogos florestais

Alteraes

Observaes finais

Na deteco remota necessrio Compreender as caractersticas da energia que registada

pelo sensor e como esta interagiu com a atmosfera (cap.II) e a matria

Perceber as caractersticas dos sistemas de deteco remota

Perceber o mecanismo do processamento dos dados adquiridos Processamento radiomtrico Processamento geomtrico

Interpretar e analisar manualmente e/ou digitalmente os dados obtidos pelos diferentes sensores.