A forma como um sensor mede a radiação eletromagnética é praticamente a mesma, independente do comprimento de onda. Mas, o importante é saber o que é de fato o componente da radiação eletromagnética que deixa o alvo e vai até o sensor para ser medido e transformado em imagem. Normalmente, nos referimos erroneamente a esse componente, como reflectância. Veremos que há uma conceituação radiométrica específica que define a radiação que deixa o alvo, e que é dependente do intervalo espectral. Trataremos aqui dos conceitos radiométricos da radiação óptica da luz solar. A radiação termal e das micro-ondas veremos nos capítulos seguintes.
Quando o sensor detecta e mede a radiação que deixa a superfície dos objetos, o sensor está fazendo uma medição radiométrica. É por isso que os sensores imageadores podem também ser denominados de radiômetros imageadores. A radiometria inclui uma série de termos e leis que em sensoriamento remoto são fundamentais para explicar o significado físico dos valores da REM medidos pelo sensor. As definições que serão vistas são somente as mais importantes para se entender o significado dos componentes de um modelo básico de sensoriamento remoto, como ilustrado na Figura 1.14. Os números que identificam na figura cada um dos componentes desse modelo representam os termos radiométricos que são definidos a seguir, em uma ordem sequencial segundo a trajetória da REM da fonte (1) até o sensor. O subscrito λ indica que o valor calculado para a grandeza radiométrica que o contém é dependente do comprimento de onda.
Fig. 1.14 Componentes radiométricos da trajetória da radiação eletromagnética, da fonte ao sensor.
1. Energia radiante Q é a energia que se propaga da fonte na forma de ondas eletromagnéticas, medida em Joule (J).
2. Fluxo radiante Ф = ðQ / ðt é a taxa na qual a energia radiante é transferida de um ponto ou superfície para outra superfície, medida em watts (W). O fluxo é medido por um
θ
área A da superfície do alvo
Ω ângulo cônico fonte
sensor
1
2 3
4
Introdução ao Processamento de Imagens de Sensoriameto Remoto 22 período de tempo. Também é a taxa de tempo que o fluxo ilumina a superfície do terreno, que será imageada pelo sensor.
3. Irradiância Eλ = Ф/∆A é o fluxo radiante solar incidente na superfície do terreno por área de superfície, medido em watts por metro quadrado (W/m2). Mas, se efetivamente se quiser medir a quantidade de irradiância incidente por área, deve-se integrar as variáveis da atmosfera pela qual a radiação passa. Segundo Jensen (2009), essa integração é uma função da irradiância solar espectral no topo da atmosfera (Eoλ), multiplicada pela transmitância atmosférica (Tθ0) num certo ângulo zenital solar (θ0), mais a contribuição solar difusa (Edλ).
Em termos de unidade a irradiância é medida em W/m2μm.
ܧఒ ൌ න ሺܧఒమ ఒܶఏை ߠ ܧௗఒሻ݀ఒ
ఒభ
eq.1.9
4. Radiância Lλ = Ф/∆Ω ∆AcosT é a medida feita pelo sensor da densidade de fluxo radiante que deixa um elemento de área da superfície do terreno, e que se propaga em uma direção definida por um cone elementar de um ângulo sólido contendo aquela direção. Em termos de unidade a radiância é medida em W/m2strμm. Assumindo-se que a superfície da Terra seja um refletor difuso perfeito, a quantidade total de radiância que deixa a superfície de um alvo em direção ao sensor, é de acordo com Jansen (2009):
ܮ் ൌ ͳ ߨන ߩఒ
ఒమ
ఒభ
ܶఏ௩ሺܧఒ ߠ Ͳ ܧௗఒሻ݀ఒ
eq.1.10 onde, ߩ = reflectância média da superfície do alvo e o fator pi considera o espaço hemisférico.
O conceito de ângulo sólido é importante em sensoriamento remoto. Ele descreve a convergência ou divergência angular, em três dimensões, do fluxo de ou para uma superfície.
Ele é convenientemente definido em termos da geometria de uma esfera, como mostra a Figura 1.15. O ângulo sólido subtendido no centro de uma esfera é definido como a razão da superfície de área da esfera pelo quadrado do raio da esfera. Como em sensoriamento remoto o ângulo sólido é de valor muito pequeno, de alguns poucos milirradianos, por conveniência, usa-se a área plana da base do cone, de diâmetro D.
Fig. 1.15 Conceito de ângulo sólido.
Ώ = A/r2
onde: Ώ =ângulo sólido em esferorradiano
A =área da esfera subtendida pelo cone Ώ r=raio da esfera
:
r
A
Introdução ao Processamento de Imagens de Sensoriameto Remoto 23 Voltando à Figura 1.14 vemos que o sensor focaliza uma área no terreno cujo tamanho é definido pelo ângulo sólido de visada do sensor. Esse ângulo sólido de visada é definido pela abertura do sistema óptico do sensor, no caso um telescópio portátil, à semelhança da abertura definida pela objetiva de uma máquina fotográfica. Dessa maneira, o sensor mede a intensidade radiante que deixa a superfície de área do terreno limitada por um ângulo sólido Ω. Esterradiano (str), ou esferorradiano, é a unidade de medida de ângulo sólido, 1 esterradiano equivalendo a 57 graus plano. No sensor o ângulo é da ordem de milirradianos. Além do ângulo sólido, a medida da radiação que deixa a área do terreno depende também da posição que o sensor está no espaço. Na Figura 1.14 a posição do sensor é medida pelo co-seno do ângulo em relação à normal superfície do terreno. Tudo isso, que é considerado na medida da radiação pelo sensor, é o que foi definido de radiância. Sendo assim, a imagem formada no sensor é uma imagem da radiância. Como será abordado adiante, os valores de radiância são convertidos em valores digitais, gerando a imagem digital.
Mas, há algo mais, muito importante, que deve ser considerado no modelo básico de configuração de sensoriamento remoto da Figura 1.14. Sabe-se que a densidade de fluxo incidente na superfície do terreno, a Irradiância E, varia no tempo (hora, dia, mês), pois a distância e a posição do Sol em relação à Terra mudam, continuamente, e mesmo porque o Sol não é uma fonte totalmente uniforme. Além disso, a atmosfera é muito dinâmica, ou seja, a cada momento deixa passar quantidades diferentes de fluxo radiante devido às absorções dos gases. O que isso acarreta? A radiância que será medida no sensor para construir a imagem dos objetos poderá apresentar-se diferente de um dia para outro, mesmo que os alvos nada tenham mudado. Essa influência da variação da irradiância poderia ser eliminada, se no exato momento em que o sensor medisse a radiância Lλ que deixa o alvo, medisse, também, a quantidade de fluxo radiante incidente no alvo, ou seja, a irradiância Eλ. A relação de medida da irradiância com a radiância estabelece um conceito muito importante em sensoriamento remoto, que é a reflectância.
Reflectância é a razão entre a quantidade de energia radiante que deixa uma unidade de área no terreno (Radiância) pela quantidade de energia incidente naquela área (Irradiância), medida no mesmo instante de tempo. Como irradiância e radiância são densidades de fluxo, o valor dessa razão torna-se adimensional, sendo, portanto, expresso em porcentagem. Qualquer alvo no terreno poderá refletir uma porcentagem > 0% e < 100% da radiação nele incidente. Usa-se a letra grega ρ para se referenciar à reflectância.
ߩఒሺΨሻ ൌ ܮఒ ܧఒ
eq.1.11
Os sensores imageadores não medem a irradiância solar, e por isso a imagem é uma representação digital dos valores da radiância, e não uma imagem de reflectância. Para chegar a uma imagem de reflectância, devem-se converter os valores digitais para radiância e em seguida calcular a reflectância, segundo os princípios da equação 1.10. Para isso há a necessidade de se saber os valores da irradiância no momento em que a imagem foi tomada.
Há complexas formulações matemáticas que possibilitam fazer essa conversão de valores.
Elas estão embutidas nos algoritmos de processamento de imagens para correção atmosférica.
Para a maioria das aplicações de sensoriamento remoto e das técnicas de processamento de imagens se usa imagens no formato digital, aceitando-se que os valores digitais são representações bem próximas da reflectância. Razoáveis análises da reflectância espectral dos alvos podem ser feitas com imagens multiespectrais no formato digital.
Contudo, com imagens de sensores hiperespectrais, que exigem em suas análises
Introdução ao Processamento de Imagens de Sensoriameto Remoto 24 algoritmos de classificação espectral, a imagem digital precisará, obrigatoriamente, ser convertida para imagem de reflectância. Sobre isso veremos no capítulo 14.