USO DA IMAGEM DE RADAR ALOS/PALSAR PARA DISCRIMINAÇÃO DE ESPÉCIES DE MACRÓFITAS DA PLANÍCIE DE INUNDAÇÃO AMAZÔNICA

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L. R. Sartori, N. N. Imai, J. C. Mura

USO DA IMAGEM DE RADAR ALOS/PALSAR PARA

DISCRIMINAÇÃO DE ESPÉCIES DE MACRÓFITAS DA PLANÍCIE

DE INUNDAÇÃO AMAZÔNICA

LAURIANA RÚBIO SARTORI NILTON NOBUHIRO IMAI

JOSE CLAUDIO MURA

Universidade Estadual de São Paulo - UNESP Programa de Pós-Graduação em Ciências Cartográficas

lauriunesp@gmail.com; nnimai@fct.unesp.br Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais – INPE

mura@dpi.inpe.br

RESUMO – Este trabalho tem como objetivo avaliar a contribuição de imagens de radar na banda L (~23 cm), completamente polarimétrica, na discriminação de macrófitas. A área de estudos é a planície de inundação do Lago Grande de Monte Alegre – Amazônia. A imagem utilizada foi adquirida em 25 de março de 2009 com o ALOS/PALSAR. Um trabalho de campo foi realizado de 31 de março a 09 de abril a fim de fotografar os bancos de macrófitas, obter coordenadas e medir variáveis morfológicas. A partir da imagem foram extraídos atributos incoerentes (amplitude HH, HV e VV) e coerentes (parâmetros da decomposição de Freeman-Durden e de Cloude-Pottier). Os elementos amostrais foram transformados para o sistema de referência de coordenadas da imagem. Para cada elemento foi calculada a média de cada atributo. Para avaliar a similaridade entre as médias das classes de macrófitas foi utilizado o teste t-Student ao nível de confiança de 95%. Os resultados mostraram que a amplitude VV e o ângulo alfa da decomposição de Cloude-Pottier são os dois atributos mais adequados para diferenciar as classes deste trabalho.

ABSTRACT – The present work aims to evaluate the contribution of SAR (Synthetic Aperture Radar) image, L band (~23 cm), full polarimetric, to discriminate macrophyte. The study area is the floodplain

region of the Lago Grande of Monte Alegre – Amazon. The image was obtained on March 25th, 2009

from ALOS/PALSAR sensor system. Fieldwork was carried out in April, 2009 in order to take pictures, coordinates and macrophyte morphological variables. From the image was extracted incoherent (amplitude HH, HV and VV) and coherent attributes (parameters from the Cloude-Pottier’s and Freeman-Durden’s decompositions). The sample elements were converted to the image coordinate reference system. For each sample, the average of the attributes was computed. The similarity between the averages was assessed using the Student’s t-test at 95% confidence level. The results showed that the amplitude VV and the alpha angle of Cloude-Pottier’s decompositions are the most suitable attributes in order to discriminate the classes of this work.

1 INTRODUÇÃO

O objetivo deste trabalho foi avaliar o uso de imagens de radar completamente polarimétrica para discriminar três espécies de macrófitas encontradas no Lago Grande de Monte Alegre (Amazônia, Brasil) usando dados da banda L do ALOS/PALSAR. Como o retro-espalhamento do radar é sensível à superfície geométrica, esta pesquisa supõe que a discriminação entre as espécies seja possível devido à variação morfológica da planta.

Há muitos parâmetros na literatura usados para investigar o dado de radar completamente polarimétrico para caracterização de planícies de inundação. Na década

de 1990, o parâmetro mais utilizado foi a diferença de fase entre as polarizações HH e VV (TOUZI et al., 2009). Depois, a decomposição de Cloude-Pottier e a de Freeman-Durden tornaram-se uma abordagem popular. Hoje em dia, a mais nova técnica disponível é a decomposição de Touzi. Além destes parâmetros coerentes (aqueles que além da parte real utilizam também a informação de fase de cada pixel), os incoerentes (aqueles que utilizam apenas a informação real de cada pixel) normalmente utilizados são: intensidade, amplitude, sigma, potência total (span), razão de polarização cruzada, razão de polarização paralela e os índices de Pope.

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Este trabalho limita-se a analisar a amplitude das polarizações HH, HV e VV, os parâmetros da decomposição de Cloude-Pottier e de Freeman-Durden. Os mecanismos de espalhamento descritos por estas duas decomposições são explicados no próximo item. A fim de avaliar o potencial de discriminação destes atributos, foi escolhida como área teste a planície de inundação da região do Lago Grande de Monte Alegre. Planícies de inundação são áreas alagáveis de grande importância ecológica, além de terem um papel crucial no balanço global de carbono (MELACK et al. 2004). Além disso, são ambientes caracterizados por numerosa variedade de plantas e animais e são importantes para a manutenção dos recursos hídricos. Na planície de inundação Amazônica, as macrófitas são responsáveis pelas mais altas taxas de emissão de metano e apresentam rápido crescimento e alta produtividade (SILVA et al., 2009). Como tanto a produtividade quanto o crescimento são dependentes da espécie (SILVA et al., in press), é

extremamente importante o desenvolvimento de

ferramentas que permitam a discriminação adequada das espécies de plantas aquática.

2. DECOMPOSIÇÃO DE CLOUDE-POTTIER E FREEMAN-DURDEN

Na decomposição de Cloude-Pottier são gerados os parâmetros entropia, anisotropia e ângulo alfa. A entropia determina o grau de aleatoriedade do processo de espalhamento. Se a entropia for igual a zero significa que apenas um processo determinístico de espalhamento ocorre. Se a entropia for igual a um, significa que o processo de espalhamento é uma combinação de três alvos puros com igual contribuição. Se a entropia for média, significa que mais de um processo de espalhamento contribui, mas não há clareza de quantos. Neste caso, a anisotropia é importante para avaliar a importância do segundo e terceiro mecanismo de espalhamento. Assim, quando a entropia for média e ocorrer alta anisotropia, o segundo mecanismo é importante. Caso a entropia seja média e a anisotropia baixa, além do segundo, o terceiro também contribui para o espalhamento. Por fim, o ângulo alfa descreve o tipo de mecanismo de espalhamento. Caso o ângulo seja zero, o

espalhamento é do tipo superficial. Ângulo igual a 450

representa espalhamento volumétrico (espalhamento por

dipolos). Se o ângulo for 900, o espalhamento é do tipo

double-bounce (espalhamento por diedro) (CLOUDE e POTTIER, 1997).

Os mecanismos de espalhamento envolvidos na decomposição de Freeman-Durden (apresentados na Figura 1) são: espalhamento volumétrico, o qual assume que o retro-espalhamento ocorre a partir de uma nuvem de espalhadores do tipo cilindro fino com orientação aleatória (espalhamento por dipolos); espalhamento do tipo double-bounce, o qual é modelado pelo espalhamento de um refletor de canto em ângulo diedro; espalhamento superficial, o qual usa o modelo de Bragg de primeira ordem (FREEMAN e DURDEN, 1998).

Espalhamento volumétrico Espalhamento Double-bounce Espalhamento superficial

Figura 1 – Esboço dos mecanismos de espalhamento de

Freeman-Durden: espalhamento volumétrico,

espalhamento double-bounce e espalhamento superficial. Fonte: Freeman e Durden (1998).

3. MÉTODOS E DADOS

Uma imagem completamente polarimétrica, banda L foi coletada no dia 25 de março de 2009 pelo sensor ALOS/PALSAR. A imagem foi adquirida no modo PLR, com ângulo off-nadir de 21.5º, órbita ascendente, no nível de processamento 1.1 (dados complexos no alcance inclinado). Um trabalho de campo foi realizado de 31 de março a 9 de abril a fim de medir variáveis morfológicas das macrófitas, fotografá-las e obter coordenadas com um receptor GPS (Global Positioning System).

A primeira etapa após a coleta de dados foi transformar os elementos amostrais para o mesmo sistema de referência de coordenadas da imagem. Como a ortorretificação corrompe a parte complexa da imagem SAR, a extração dos parâmetros de radar para cada elemento amostral foi feita pela projeção do elemento, inicialmente no sistema de referência geodésico WGS84, para o sistema de coordenadas do alcance do terreno (slant ground).

As informações do alvo imageado e a descrição do processo de espalhamento estão contidas na matriz de espalhamento. Esta matriz foi convertida para a matriz de covariância com média espacial de 7x1 (azimute por range, respectivamente) pixels para extrair os atributos coerentes e incoerentes. A média espacial usada converte o espaçamento do pixel de 3.59 m em azimute x 9.37 m em range no alcance inclinado (slant range) para 23.04 m em azimute x 25.12 metros em range no alcance do terreno (ground range). Finalmente, para reduzir o efeito speckle da imagem, a matriz de covariância foi filtrada usando o Filtro de Lee Refinado, com janela de 3 x 3

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pixels. Em seguida, foram extraídas as imagens amplitude para as bandas HH, HV e VV, os parâmetros da decomposição de Cloude-Pottier (ângulo alfa, entropia e anisotropia) e de Freeman-Durden (espalhamento volumétrico, double-bounce e espalhamento superficial).

Para cada elemento amostral, foi calculada a média de cada atributo para uma área de 50 x 50 m², o que corresponde ao tamanho médio dos bancos de macrófitas.

O teste de similaridade t-Student foi utilizado ao nível de significância 95% a fim de avaliar quais os atributos discriminam as classes da área de pesquisa. 3.1. Espécies de macrófitas encontradas em campo

As principais espécies encontradas na área de estudo foram P. repens (n=41), H. amplexicaulis (n=15) e P. elephantipes (9). A Figura 2 mostra fotografias tomadas em campo das três espécies.

Conforme Costa (2000), a H. amplexicaulis está presente em áreas mais protegidas dentro do lago e a P. repens forma estreitos grupos na orla externa da vegetação aquática nos níveis de água mais profundos.

Observa-se pelas fotografias que a P. elephantipes caracteriza-se por ser menos densa que as outras duas, fazendo com que seu retro-espalhamento sofra influência da resposta da água. Observe que a haste da H. amplexicaulis se inclina com o peso e parece predominar em relação às folhas. No caso da P. repens, as hastes e as folhas têm orientação aleatória. É importante observar a estrutura dos alvos, pois há relação direta com a polarização incidente. Se, por exemplo, os objetos na superfície terrestre possuem uma orientação vertical predominante, a interação com sinais de microondas verticalmente polarizados será maior, gerando um maior retro-espalhamento nesta orientação.

(a) Paspalum repens; Nome vulgar: premembeca

(b) Hymenachne amplexicaulis; Nome vulgar: Rabo de rato

(c) Panicum elephantipes; Nome vulgar: Taboca

Figura 2 – Fotografias tomadas em campo das três classes de macrófitas.

4. RESULTADOS

A comparação entre as três classes, para os diferentes atributos, foi realizada usando o teste t de Student ao nível de confiança de 95%. A hipótese nula testada é que os elementos amostrais são obtidos de populações semelhantes. Para o p-valor menor que o nível de significância (0.05) se aceita a hipótese alternativa e, portanto, existe diferença entre as médias testadas. A Tabela 1 mostra o p-valor entre as classes PR x HA, PR x PE e HA x PE, sendo as abreviações PR, HA e PE correspondentes, respectivamente, à P. repens, H. amplexicaulis e P. elephantipes.

Os resultados do teste mostram que para diferenciar a P. repens do H. amplexicaulis o melhor atributo é a amplitude VV (p=0.0027). O ângulo alfa possui um maior potencial para discriminar a classe P. repens da P. elephantipes (p=0.0029) e a classe H. amplexicaulis da P. elephantipes (p=0.0031). Além destes dois atributos, os que apresentam diferenças entre as classes são: amplitude HH, amplitude HV, amplitude VV, anisotropia e o espalhamento volumétrico. Apesar de o

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atributo anisotropia possuir diferença estatisticamente significativa, o p-valor é próximo de 0.05.

Observe que a dupla de amplitudes HH e VV ou a dupla HV e VV já são capazes de discriminar as três classes (p<0.05). Entre os parâmetros da decomposição de Cloude-Pottier, não há nenhum capaz de diferenciar as classes P. repens e H. amplexicaulis. Entre os parâmetros da decomposição de Freeman-Durden, apenas o espalhamento volumétrico é capaz de realizar a discriminação, sendo que não é possível a diferenciação entre as classes H. amplexicaulis e P. elephantipes.

Tabela 1 – P-valor do teste t-Student usado para avaliar a similaridade entre as médias.

Atributos PR x HA PR x PE HA x PE HH_ampl 0.0066 0.0035 0.9481 HV_ampl 0.0202 0.0079 0.6880 VV_ampl 0.0027 0.1703 0.0078 Ângulo alfa 0.4036 0.0029 0.0031 Entropia 0.2585 0.0515 0.0704 Anisotropia 0.3625 0.0407 0.2644 Esp. double-bounce 0.1208 0.1718 0.9040 Esp. superficial 0.1903 0.2176 0.0505 Esp. volumétrico 0.0050 0.0040 0.8396

Os valores de média e o intervalo de confiança de 95% para as três classes foram determinados para os atributos da Tabela 1 que proporcionaram melhor discriminação entre as classes. Tais atributos são: amplitude HH, HV e VV, ângulo alfa e Freeman volumétrico sendo apresentados na forma de boxplot na Figura 3 (incoerentes) e na Figura 4 (coerentes).

Observe na Figura 3 que a amplitude HH possui o maior retro-espalhamento, acima de 0.24, seguido pelo retro-espalhamento de VV, que está entre 0.15 e 0.24 e por último o retro-espalhamento de HV, abaixo de 0.15. Isto porque o retro-espalhamento em polarizações paralelas (HH ou VV) é mais forte que em polarizações cruzadas (HV ou VH) (LEWIS et al., 1998), pois nas cruzadas deve ocorrer um processo de despolarização, devido a múltiplas interações, para que haja um sinal de retorno, e que normalmente reduz a potência do sinal recebido pela antena.

O fato de o retro-espalhamento ser maior em HH do que em VV pode ser explicado porque as hastes das plantas tendem a se inclinar com o peso e as folhas predominam na horizontal, gerando maior retro-espalhamento nesta orientação.

A P. repens possui maior retro-espalhamento em HV do que as outras espécies devido à estrutura da planta ter várias camadas, as hastes estarem numa direção e as folhas em outra, o que faz com que o sinal tenha múltiplas interações.

P. elephantipes P. repens H. amplexicaulis 0.16 0.18 0.20 0.22 0.24 0.26 0.28 0.30 0.32 0.34 0.36 A m p lit u d e H H

Mean Mean±0.95 Conf. Interval

(a) Amplitude HH

P. elephantipes P. repens H. amplexicaulis 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 A m p lit u d e H V

(b) Amplitude HV

P. elephantipes P. repens H. amplexicaulis 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20 0.22 0.24 0.26 0.28 0.30 0.32 A m p li tu d e V V

(c) Amplitude VV

Figura 3 – Boxplots dos atributos incoerentes: amplitude HH, HV e VV.

Os dados referentes ao ângulo alfa gerado a partir da decomposição de Cloude-Pottier são mostrados na Figura 4 (a). Este ângulo descreve o tipo de mecanismo

de espalhamento. O ângulo alfa varia de 0 a 900, sendo

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espalhamento é do tipo superficial, ou seja, o sinal de microondas interage uma vez com o alvo e retorna ao

sensor. Se for igual a 450, o espalhamento é do tipo

volumétrico, ou seja, o alvo é modelado como um conjunto de espalhadores do tipo dipolo orientados

aleatoriamente. E se for igual a 900, o espalhamento é do

tipo double-bounce. Neste último, a radiação atinge a superfície da água, é refletida especularmente por ela, atinge a planta e retorna à antena. Como se observa pelo boxplot, tanto a P. repens quanto a H. amplexicaulis são caracterizadas pelo espalhamento do tipo volumétrico. Já a P. elephantipes possui o espalhamento entre o superficial e o volumétrico.

Na Figura 4 (b) pode-se observar a intensidade do

espalhamento volumétrico gerado a partir da

decomposição de Freeman-Durden. A espécie P. repens, que tem uma estrutura mais aleatória que as outras duas espécies, apresenta maior espalhamento volumétrico que as outras duas espécies.

Repare que o gráfico do espalhamento volumétrico é semelhante ao do retro-espalhamento HV. Ambos são caracterizados por múltiplas interações com o alvo.

P. elephantipes P. repens H. amplexicaulis 15 20 25 30 35 40 45 50 Â n g u lo a lf a

(a) Ângulo alfa – decomposição de Cloude-Pottier

P. elephantipes P. repens H. amplexicaulis -18 -17 -16 -15 -14 -13 -12 -11 -10 -9 F re e m a n _ V o l_ d B

(b) Espalhamento volumétrico – decomposição de Freeman-Durden

Figura 4 – Boxplots dos atributos coerentes ângulo alfa e Freeman volumétrico.

5. CONCLUSÕES

Este trabalho demonstrou a capacidade da imagem de radar completamente polarimétrica, banda L, na discriminação de três tipos de macrófitas encontradas no Lago Grande de Monte Alegre – Amazônia. O uso apenas dos parâmetros incoerentes, ou seja, das amplitudes já possibilita a discriminação entre as espécies. A amplitude VV é o parâmetro com maior potencial para discriminar P. repens do H. amplexicaulis. O ângulo alfa é o parâmetro que melhor discrimina a classe P. repens da P. elephantipes e a classe H. amplexicaulis da P. elephantipes.

Tanto na P. repens quanto na H. amplexicaulis predominam o espalhamento volumétrico, sendo que na P. repens é mais intenso, devido ao fato de o alvo possuir folhas e hastes aleatoriamente orientadas.

Outros estudos devem ser feitos no sentido de correlacionar as variáveis morfológicas da macrófita com os atributos da imagem. Espera-se que os resultados obtidos neste trabalho sejam úteis para realizar a classificação da imagem de radar da planície de inundação do Lago Grande com o objetivo de mapear as diferentes espécies de macrófitas.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem ao Programa de Pós-graduação em Ciências Cartográficas da UNESP/FCT e à

PROCAD/ CAPES que no âmbito do projeto

“Desenvolvimento de estudos e métodos para análise das características da água no contexto espaço-temporal” concedeu recursos para a realização do trabalho de campo na área de estudos. Também, agradecem à equipe de campo e em especial à professora Chieno da UFPA de Santarém pela importante colaboração no levantamento realizado.

REFERÊNCIAS

COSTA, M.P.F. Net primary procuctivity of Aquatic Vegetation of the Amazon Floodplain: a Multi-SAR Satellite Approach. 2000. 266f. Tese (Doctor of Philosophy) – University of Victoria, Victoria, Canadá. CLOUDE, S. R.; POTTIER, E. An entropy based classification scheme for land applications of polarimetric SAR. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, v.35, n.1, p.68-78, Jan.1997.

FREEMAN, A.; DURDEN, S. L. A three-component scattering model for polarimetric SAR data. IEEE transactions on geoscience and remote sensing, vol. 36, no3, pp. 963-973, 1998.

LEWIS, A. J.; HENDERSON, F. M.; HOLCOMB, D. W Radar fundamentals: the geoscience perspective. In Principles and Applications of Imaging Radar. New York: John Wiley. p.131-181, 1998.

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MELACK, J. M.; HESS, L. L.; GASTIL M.; FORSBERF, B. R.; HAMILTON, S. K.; LIMA, I. B. T.; NOVO, E.M.L.M. Regionalization of methane emissions in the Amazon basin with microwave remote sensing, Global Change Biology, 10, pp. 530-544, 2004.

NOVO, E. M. L. M.; COSTA, M. P. F. Fundamentos e aplicações de radar no estudo de áreas alagáveis. Capítulo do Livro: Oceanografia por satélites. São Paulo: Oficina de textos, 2005.

SILVA, T. S. F.; COSTA; M. P. F.; MELACK, J. M. Annual net primary productivity of macrophytes in the Eastern Amazon floodplain. Wetlands, 29 (2), pp. 747-758, 2009.

SILVA, T. S. F.; COSTA, M. P. F.; MELACK, J. M. Assessment of two biomass estimation methods for aquatic vegetation growing on the Amazon floodplain, Aquatic Botany, in press.

TOUZI , R.; DESCHAMPS, A.; ROTHER, G. Phase of target scattering for wetland characterization using polarimetric C-band SAR, IEEE transactions on geoscience and remote sensing, vol. 47, no9, pp. 3241-3261, 2009.