Satélites brasileiros de observação da Terra: balanço e perspectivas
José Carlos Neves Epiphanio1
1 Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais - INPE
Caixa Postal 515 - 12227-010 - São José dos Campos - SP, Brasil epiphanio@dsr.inpe.br
Abstract. This paper describes the status and characteristics of Brazilian satellites designed for Earth
observation: CBERS, Amazonia and Sabia. At the same time makes a balance of the previous CBERS satellites, mainly taking into consideration the users view. Also, it is presented some insights concerning the future of Earth observation satellites for Brazil. Program CBERS (China-Brazil Earth Resources Satellite) is developed under a cooperation agreement between Brazil and China. Three satellites were already launched (CBERS-1: 1999-2003, CBERS-2: 2003-2007 and CBERS-2B: 2007-2010). A new family is under development and CBERS-3 is planned to be launched at the beginning of 2013. CBERS-4 is planned to be launched two years after CBERS-3 launching. Amazonia-1 is a satellite with a medium resolution (~40m) sensor designed to monitor fast phenomena as Amazonia deforestation and agriculture processes. Multimission Platform will be the main bus for its payload. With these satellites and their imaging capabilities many applications can be covered, such as land use land cover changes, agriculture and environment monitoring, alert systems. The data policy will be the same as used for previous satellites. Some insights for new missions are presented.
Palavras-chave: Brazilian satellites, remote sensing, imaging cameras, sensoriamento remoto, câmeras
imageadoras, programa espacial, observação da Terra. 1. Introdução
O Brasil é um país de grandes dimensões territoriais e diversidade de características físicas, biológicas, ecológicas, climáticas e de uso. Vem experimentando um acentuado desenvolvimento agrícola e ao mesmo tempo convive com uma crescente pressão para que seu desenvolvimento se dê em bases sustentáveis. Para que se possa conhecer, planejar e gerenciar essa diversidade e desenvolvimento, um instrumento necessário são os dados gerados por sensores a bordo de satélites. Junto com sistemas de informações e outras tecnologias, formam uma base importante para o conhecimento e conservação da natureza, o planejamento do uso da terrae a gestão da produção nos seus mais diversos aspectos.
A geração de dados básicos de sensoriamento remoto tem duas origens básicas: produção autóctone por sistemas do próprio país ou produção por sistemas sob domínio de fontes externas ao país. Historicamente, o Brasil tem sido importador líquido de dados de sensoriamento remoto gerados por satélites. Tradicionalmente, pelos sistemas Landsat e SPOT, e atualmente por uma plêiade de satélites nas suas mais diversas características e resoluções (Radarsat, RapidEye, Ikonos, IRS etc.). Salvo pelo período de 1999-2009, com os dados gerados pelo sistema CBERS, o país dependeu exclusivamente de fontes externas de dados de sensorimento remoto orbital tanto para fins de pesquisa científica como nos mais diversos programas operacionais de observação da Terra, fossem privados ou governamentais. Neste trabalho, faz-se uma análise do programa de observação da Terra orbital que o país implantou e do seu desenvolvimento presente e próximo futuro. Ao mesmo tempo, apresenta-se uma perspectiva do cenário de missões de obapresenta-servação da terra à luz da avaliação dos usuários de dados de sensoriamento remoto.
2. O programa basileiro de observação da Terra
O Brasil tem seu Programa Espacial descrito no documento “Programa Nacional de Atividades Espaciais 2005-2014” (AEB, 2005), com período de abrangência de 2005 a 2014. Neste documento constam as diversas missões em que o Brasil, em princípio, deveria se
de Satélites de Recursos Terrestres (CBERS), Programa de Coleta de Dados (SCD) e Programa de Radar de Abertura Sintética (RADAR). No programa SSR, faz-se menção ao uso da Plataforma Multimissão.
Se observarmos o PNAE à luz da realidade, vemos que dois SCD (Satélites de Coleta de Dados) foram lançados com sucesso e estão em operação há mais de 15 anos. Porém, tiveram descontinuidade em suas construções. Quanto ao Radar, o programa de cooperação com a Alemanha foi descontinuado e não há outro programa em efeito. O programa SSR está em efeito, com uma missão em pleno andamento (Amazônia-1, desenvolvimento autônomo do Brasil), cujo lançamento está previsto para 2014 (TBC - “a ser confirmado”) e outra em vias de entrar em efeito (Sabiá-Mar, em cooperação com a Argentina). O programa CBERS (China Brazil Earth Resources Satellite) está em pleno efeito, com três satélites lançados com sucesso (1999, 2003 e 2007), o CBERS-3 (Epiphanio, 2011) está com lançamento previsto para 2013 e o CBERS-4 para lançamento dois anos após o do CBERS-3. Vê-se que o programa brasileiro de observação da Terra tem encontrado sua concretização basicamente nos satélites CBERS, desenvolvidos em cooperação de longo prazo com a China. Os três satélites que foram lançados operaram por tempo maior do que suas vidas úteis projetadas, mas já foram desativados. Dois outros fazem parte de acordos assinados e estão em construção. Desde inícios de 2010, o Brasil não dispõe de dados de sensoriamento remoto gerados de forma autônoma. A Tabela 1 apresenta as principais características dos programas de observação da Terra em vias de se tornarem concretos no curto e médio prazos.
Os dados gerados pelos satélites CBERS-2 e 2B (Epiphanio, 2007, 2009, 2011) têm tido um papel marcante junto à sociedade brasileira nos mais diversos campos de pesquisa e aplicações. Embora o número de cerca de um milhão de imagens distribuídas seja uma das faces mais visíveis do programa, há outras que devem ser consideradas. Uma dessas é quem fez uso dessas imagens e a outra é quais foram os usos dessas imagens. Quanto ao quem, houve um aumento significativo no número de pessoas/usuários que passaram a fazer acessos e pedidos das imagens em relação ao que se tinha até o advento do CBERS-2. Entre o início das operações do CBERS-2 e atualmente, passou-se de cerca de cerca de 1.000 usuários para mais 60.000. Atualmente, toda e qualquer faculdade de ensino, instituição pública ou ONG ligadas às áreas afeitas ao sensoriamento remoto (geografia, agronomia, geologia, oceanografia, engenharia florestal, engenharia ambiental, meio ambiente, etc.) utiliza as imagens CBERS em seus programas de pesquisa e em seus projetos. Quanto a quais usos, segundo pesquisa (Silva et al., 2009) feita com mais de 2.000 usuários, viu-se que os usos são os mais diversos possíveis. As dez maiores indicações de uso foram: cartografia, degradação ambiental, agricultura, topografia, geografia, ecossistemas, reflorestamento, geotecnologia, hidrologia e consultoria. Haviam sido sugeridas 30 categorias de aplicações e todas elas tiveram menção. Na categoria “outras”, houve 9,4% de indicações, sugerindo que os usos são mais abrangentes do que os que se havia sugerido.
3. Preferência dos usuários
Da pesquisa mencionada, que pode dar indicações importantes para a definição de novas missões para o Brasil, foi possível auferir a importância de cada um dos sensores presentes no CBERS-2B. A Tabela 2 dá uma indicação de como os usuários qualificaram a carga útil do CBERS-2B. Numa análise rápida vê-se que a carga considerada mais importante para os usuários é a CCD, pois 70,7% dos usuários a consideraram como sendo de importância superior a 60%, e apenas 7,2% dos usuários a consideraram como tendo importância inferior a 10%. Em seguida ficaram as câmeras HRC e a WFI.
Tabela 1 – Missões Brasileiras de OBT em efeito ou planejadas (TBC = a ser confirmado; TBD = a ser definido).
Satélite CBERS-3/4 Amazônia Sabia-Mar
Responsável Brasil e China Brasil Brasil e Argentina
Previsão lançamento 2013 e 2015 2014 (TBC) (TBD)
Missão observação da Terra em várias resoluções e
comprimentos de onda
monitoramento da Amazônia,
acompanhamento agrícola, monitoramento ambiental e costeiro, mapeamentos vegetais regionais
observação dos oceanos, com aplicações no estudo dos ecossistemas oceânicos, do ciclo do carbono, no mapeamento do habitat marinho e na observação costeira
Aplicações-Alvo mapeamento detalhado da superfície,
análises ambientais locais, regionais e globais, monitoramento de vegetação (natural, cultivada, e agrícola), monitoramento hidrológico e oceanográfico, aplicações geológicas
monitoramento de desflorestamento, acompanhamentos agrícolas, vigilância ambiental, aplicações em hidrologia, monitoamento de desastres
oceanografia, sustentabilidade dos recursos vivos marinhos, pesca, gerenciamento costeiro e ambiental, desastres naturais e antropogênicos, meteorologia, clima, hidrologia
Requisitos básicos permitir continuidade das missões dos satélites da mesma série anteriormente lançados, multiespectralidade ampla, capacidade de visada lateral, múltiplas resoluções, qualidade radiométrica e geométrica avançadas
revisita melhor que semanal,
multiespectralidade, pixels ao redor de 40 m
cobertura global (oceanos), cobertura regional (regiões costeiras), VIS, NIR, MIR, TIR, revisita diária para os oceanos, imagem detalhada em regiões costeiras
Plataforma CBERS PMM PMM
Massa (kg) 2.000 kg 500 kg 800 kg (carga útil)
Potência 2.500 w 700 w 700 w
Órbita polar, circular, sol-síncrona polar, circular, sol-síncrona polar, circular, sol-síncrona
Fase orbital 26 dias 31 dias(TBC) TBD
Altitude 778 km 700 km (TBC) 700 km
Satélite CBERS-3/4 Amazônia Sabia-Mar
Câmera 1 CCD-MUX CCD Regional
Swath 120 km 700 km 200 km
Revisita no equador 26 dias 5 dias 18 dias (TBC)
Bandas 4 (B, G, R, NIR) 4 (VIS, NIR) 12-13 (VIS, NIR, MIR, TIR)
Bits 8 10 12
Gravador a bordo sim sim sim
Visada lateral não não sim
Pixel 20 m 40 m 200 m
Câmera 2 CCD-PAN - Global
Swath 60 km - 2.200 km
Revisita no equador 52 dias (podendo chegar a três dias) - diária
Bandas 4 (G, R, NIR, PAN) - 12-13 (VIS, NIR, MIR, TIR)
Bits 8 - 12
Gravador a bordo sim - sim
Visada lateral sim (±32o) - sim
Pixel 5 m (Pan), 10 m (Multiespectral) - 1,1 km
Câmera 3 IRS (Escâner) - Câmera SST, Câmera imageamento de
superfície (TBD)
Swath 120 km -
-Revisita no equador 26 dias -
-Bandas 4 (PAN, 2 SWIR, TIR) -
-Bits 8 -
-Gravador a bordo sim -
-Visada lateral não -
-Satélite CBERS-3/4 Amazônia Sabia-Mar
Câmera 4 CCD-WFI -
-Swath 866 km -
-Revisita no equador 5 dias -
-Bandas 4 (B, G, R, NIR) -
-Bits 10 -
-Gravador a bordo sim -
-Visada lateral não -
-Pixel 64 m -
-
-Instrumentos
secundários DCS, SEM TBD TBD
TBD/TBC = To Be Confirmed/Defined; B, G, R, NIR, TIR = azul, verde, vermelho, infravermelho próximo, infrevermelho termal, respectivamente.
Tabela 2 – Importância relativa dos sensores do CBERS-2B (2.205 usuários respondentes).
Sensor Importância de 60% a 100% Importância de 0 a 10%
CCD 70,7% 7,20%
HRC 50,4% 20,5%
Os dados apresentados na Tabela 2, aliados às indicações de aplicações preferenciais, merecem algumas considerações. A primeira é que as características de resolução espacial e frequência de revisita da CCD parecem se ajustar mais perfeitamente às necessidades das aplicações dos usuários (agricultura, meio ambiente, etc.) por cobrir uma gama maior de aplicações. A WFI possui um amplo campo de visada e uma resolução espacial mais inferior (vide Epiphanio, 2009), o que a distancia daquelas aplicações mais afeitas à CCD. Ao mesmo tempo, dada a natureza das aplicações da WFI, é natural que um menor número de usuários individuais tivesse projetos para esse tipo de dado, ainda mais considerando que a WFI conta com apenas duas bandas espectrais. A HRC foi considerada a segunda câmera em ordem de importância pelos usuários. Embora esta câmera tivesse apenas uma banda pancromática e uma frequência de revisita muito baixa (cerca de 130 dias), ainda assim, foi importante para muitos usuários. Porém, é mister ressaltar que mais de 20% dos usuários a consideraram de baixa importância.
Outras informações emergiram da pesquisa mencionada acima. A Tabela 3 mostra que o conjunto das câmeras do CBERS-2B foi classificado como adequado em mais de 50% para 77,7% dos usuários. Apenas 1,5% dos usuários consideraram o conjunto como inadequado.
Tabela 3 – Avaliação quanto à adequação das câmeras constituintes do CBERS-2B.
O conjunto das câmeras do 2B são:
Adequados de 50% a 80% 43,60%
Adequados acima de 80% 34,10%
Adequados de 25% a 49% 16,50%
Não se aplica 4,20%
Inadequados 1,50%
Ao serem indagados sobre qual característica da câmera CCD que gostariam de verem melhorada em relação à CCD (Tabela 4), 61,3% dos usuários indicaram a resolução espacial. Porém, a Tabela 5 mostra que quando se coloca a alta resolução espacial em relação aos aspectos multiespectral e tempo de revisita, há um relaxamento quanto à demanda de resolução espacial de 2,5m para 5,0m em favor da multiespectralidade e do menor tempo de revisita.
Tabela 4 – Mudanças preferenciais na CCD. O que mudar na CCD (apenas uma hipótese)?
Melhorar resolução espacial 61,3%
Melhorar qualidade radiométrica 13,8%
Melhorar revisita 12,2%
Ampliar número de bandas 9,5%
Manter mesma configuração 3,2%
Tabela 5 – Preferência entre revisita versus resolução espacial/espectral. Prefiro:
XS 10m, Pan de 5m, revisita de 50 dias 69,9%
Pan de 2,5m, revisita de 130 dias 30,1%
A sequência natural de escolha de um sensor passa pela definição inicial da missão. Não obstante, uma questão importante quando se procura definir uma missão é que deve ser considerado que os usuários têm uma história de uso de diversos sensores e que eles
apresentados, não se tem uma missão específica em mente nem é possível estabelecer um fator de ponderação entre as diversas missões (aplicações) que pudesse ser aplicada aos dados. Tendo essas considerações em conta, vê-se que o sensor preferencial dos usuários (Tabela 6) é um do tipo da CCD (XS, resolução espacial em torno de 20m e frequência de revisita menor que um mês). Deve ser considerado nessa análise que muitos usuários podem não ter conhecimento ou não terem tido contato com os outros tipos de sensores tratados na pergunta; daí o cuidado que se deve ter ao analisar esse tipo de dado.
Tabela 6 – Preferência de classe de sensor. Só posso escolher um sensor:
Sensor semelhante à CCD 43,20%
Sensor estereoscópico/cartográfico 27,80%
Sensor hiperespectral 19,50%
Sensor radar 9,50%
As questões levantadas na pesquisa acima não cobrem todos os aspectos necessários à definição de uma missão nem devem ser consideradas como definitivas em termos de indicação cabal do que seria mais útil ao país. Há certos problemas que são altamente importantes para o país, mas que são de interesse direto (em termos de disponibilidade de dados) de poucos usuários (geralmente usuários institucionais). Por exemplo, o projeto DETER (http://www.obt.inpe.br/deter/index.html) necessita de dados de alta frequência temporal, não é exigente quanto à resolução espacial e é executado por poucas pessoas e instituições. Não obstante, é de alta relevância para o país. Por outro lado, considere um dado de muito alta resolução espacial. Vislumbram-se um número muito grande de usuários e instituições interessados neste tipo de dado, não se configurando uma concentração de instituições ou de usuários. Portanto, se fosse levado em consideração apenas o número de usuários/instituições, poderia haver a tendência a se achar que o dado de alta resolução teria muito maior importância em relação ao de baixa resolução. Porém, isso pode não ser uma verdade indiscutível. Ao discutir missões espaciais quando os recursos são escassos é preciso que se leve em conta e se tente qualificar bem a maximização de benefícios e beneficiários. E essa qualificação não pode levar em conta apenas o número de usuários interessados num tipo de dado, nem tampouco considerar apenas a relevância concentrada de um determinado problema. É necessário que a arte da maximização de benefícios seja exercida – notadamente em função da grande variedade de problemas, interesses e beneficiários envolvidos.
O Brasil tem se caracterizado por ter um setor agrosilvipastoril forte, diversificado e em expansão, um segmento ambiental variado em aspectos e dimensões, recursos naturais variados e importantes, uma área oceânica e costeira de grandes proporções, um parque urbano complexo e variado. Muitos outros aspectos peculiares ao país poderiam ser acrescidos, mas esses são os que mais se destacam e cobrem boa parte do interesse do sensoriamento remoto. A definição de uma missão única, que atendesse a todos os interesses desses segmentos de forma eficiente, é praticamente impossível. Mesmo porque cada um deles ainda tem subdivisões de interesses, o que levaria a uma dificuldade ainda maior definição de uma missão única.
Além dos aspectos finalísticos propriamente ditos das missões, há que se considerar os interesses relacionados aos processos envolvidos no projeto, processos, construção, manutenção e operação dos satélites. Devem ser buscadas inovações e melhorias de diversas naturezas. Por outro lado, deve ser considerado que o país não dispõe de recursos financeiros infinitos para abranger todas as missões desejadas e necessárias. É
abrangência, custos, etc. Outro campo de análise é o que envolve o número e a qualificação dos beneficiários. Isso quer dizer que uma determinada missão pode beneficiar diretamente muitos usuários (por exemplo, em empresas, ONGs, governo, etc.), que utilizem os dados gerados de uma forma assídua. Por outro lado, pode haver missões que exijam pesquisas mais aprofundadas e desenvolvimentos mais intensos para que os resultados possam, eventualmente, vir a ser operacionalizados de forma mais abrangente. Neste caso, os beneficiários diretos podem ser poucos, mas os indiretos podem aumentar com o passar do tempo, à medida que resultados mais operacionais ou novos usos para os produtos gerados pela missão sejam vislumbrados. Pode-se ilustrar este raciocínio com imagens de satélites meteorológicos. Os beneficiários imediatos das imagens e dados propriamente ditos são os poucos organismos meteorológicos, porém os beneficiários das informações geradas a partir desses produtos são inúmeros. Assim, não se pode pensar numa missão levando em conta apenas os usuários diretos e imediatos dos dados.
4. Considerações para futuras missões de observação da Terra
Novos satélites de observação da Terra, além dos já descritos, poderão der definidos com lançamentos para além do ano 2017. Embora o horizonte de lançamento esteja distante, a definição da missão e, consequentemente, da carga útil deve ser feita com antencedência. Para tal definição, e diante do que aqui apresentado sucintamente, é preciso que sejam estabelecidas algumas premissas básicas, que elenco a seguir: devem contribuir para os programas de estudo das respostas dos ecossistemas às ações naturais e humanas; devem continuar contribuindo para o conhecimento, levantamento e monitoramento dos recursos naturais; devem permitir avanços no monitoramento de culturas agrícolas e uso e cobertura da terra; devem contribuir para o entendimento dos mecanismos que contribuem para os processos de mudanças globais; devem contribuir para o desenvolvimento e aplicação de métodos de controle ambiental; devem contribuir para o entendimento de aspectos e processos importantes de áreas urbanas, continentais, costeiras e oceânicas; devem contribuir para o entendimento dos processos de intervenção humana no meio ambiente; devem contribuir para as metodologias de levantamento e conservação da biodiversidade; devem contribuir para o estudo e conservação dos corpos d´água interiores e dos ecossistemas costeiros; devem contribuir para prevenir e analisar eventos relacionados a desastres naturais; devem contribuir para um entendimento da evolução histórica dos fenômenos e alterações históricas ocorridos na superfície terrestre; devem assegurar a continuidade da missão CBERS-3/4; e devem embutir inovações tecnológicas na sua concepção e construção. Essas premissas, embora não exaustivas, devem balizar a definição e requisitos da missão.
Referências
AEB – Agência Espacial Brasileira. Programa Nacional de Atividades Espaciais PNAE – 2005-2014. Brasília, AEB, 2005. 118p. (disponível em:
http://www.aeb.gov.br/wp-content/uploads/2012/11/pnae_web.pdf)
EPIPHANIO, J.C.N. Perfil da distribuição de imagens CBERS-2 no período 2004-2006. In: SIMPÓSIO BRASILEIRO DE SENSORIAMENTO REMOTO, 13. (SBSR), 2007,
Florianópolis. Anais... São José dos Campos: INPE, 2007. p.867-873.
EPIPHANIO, J.C.N. CBERS: estado atual e futuro. In: SIMPÓSIO BRASILEIRO DE SENSORIAMENTO REMOTO, 14. (SBSR), 2009, Natal. Anais... São José dos Campos: INPE, 2009. p. 2001-2008.
EPIPHANIO, J.C.N. CBERS-3/4: características e potencialidades. In: SIMPÓSIO
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