S
ENSORIAMENTO
R
EMOTO
S
ISTEMAS
S
ENSORES
Prof. Dr. Carlos Roberto de Souza Filho IG-UNICAMP
UNICAMP
Introdução ao Sensoriamento Remoto – GN-207
Instituto de Geociências
A energia eletromagnética, após se propagar pela atmosfera a partir de uma fonte e interagir com os elementos superficiais, produz um SINAL.
Esse sinal contém a informação sobre os alvos que se deseja estudar, sendo necessária a sua CAPTAÇÃO / REGISTRO por um sistema SENSOR.
Essa captação e registro pode ser feita tanto por MÉTODOS ANALÓGICOS quanto por MÉTODOS ELETRÔNICOS ou DIGITAIS.
MÉTODO ANALÓGICO- p.ex.: fotografia aérea, que é captada por uma câmera fotográfica (o sensor), registrada em filmes fotográficos e convertida em ‘papel’.
MÉTODO DIGITAL- p.ex.: câmera de vídeo, que gera uma imagem digital.
Em ambos os casos o sinal proveniente da superfície irá produzir um registro em algum tipo de detector (fotográfico ou eletrônico), sendo que a intensidade desse sinal será proporcional à quantidade de energia (fótons) refletida ou emitida por uma determinada área na superfície.
SENSOR
equipamento utilizado para:
focalizar a REM proveniente de um alvo sobre um sistema de
dispersão (prisma, rede de difração), capaz de decompor a REM em
diferentes comprimentos de onda;
detectar a REM em cada comprimento de onda;
amplificar o sinal gerado pelo detector (sinal analógico)
-intensidade de corrente elétrica;
transformar o sinal analógico em algum tipo de sinal digital
passível de ser transmitido à distância.
GERAL: qualquer equipamento capaz de transformar alguma forma de
energia (REM) em um sinal passível de ser convertido em informação
sobre o ambiente
SENSORES
IMAGEADORES
NÃO-IMAGEADORES
PASSIVOS ATIVOS PASSIVOS ATIVOS
NÃO-FOTO FOTO câmera fotográfica “scanners” mecânico óptico eletrônico SLAR SAR SONAR radiômetros fotômetros radar altímetro “scatterômetro” laser
Fotografias, imagens, fitas magnéticas. Amostragem e visualização maior
Gráficos, tabelas, temperaturas. Amostragem e visualização menor
SISTEMA SENSOR IMAGEADOR:
- produz uma imagem bidimensional da radiância, emitância e/ou retro-espalhamento da superfície observada/imageada.
- fornece informação sobre a variação espacial da resposta espectral da superfície, sendo portanto apto a produzir informações ‘codificadas’ espacialmente.
SISTEMA SENSOR NÃO-IMAGEADOR:
- NÃO produz uma imagem da superfície observada/imageada.
- é apto a fornecer, por exemplo, informações minuciosas sobre o comportamento espectral dos objetos ‘in situ’ na superfície terrestre.
- integram a energia no tempo, no espaço e em comprimento de onda, para produzir uma curval espectral ou dígito que caracteriza a potência eletromagnética refletida, emitida ou transmitida pelo alvo.
=> radiômetros/fotômetros, cuja saída é na forma de:
gráficos (e.g.,curvas espectrais)
dígitos (e.g., temperatura).
AQUISIÇÃO DE DADOS - SISTEMAS SENSORES
SENSORES
IMAGEADORES
NÃO-IMAGEADORES
PASSIVOS ATIVOS PASSIVOS ATIVOS
NÃO-FOTO FOTO câmera fotográfica “scanners” mecânico óptico eletrônico SLAR SAR SONAR radiômetros fotômetros radar altímetro “scatterometer” laser
Fotografias, imagens, fitas magnéticas. Amostragem e visualização maior
Gráficos, tabelas, temperaturas. Amostragem e visualização menor
SISTEMA SENSOR PASSIVO:
- detecta a radiação solar refletida ou a radiação emitida pelos
objetos da superfície.
- depende de uma fonte de radiação externa para que possam operar.
- Ex: sistemas fotográficos
SISTEMA SENSOR ATIVO:
- produz sua própria radiação.
- Ex: radares - produzem a energia radiante (pulsos) que irá interagir com
os objetos da superfície.
Classificação em função da fonte de energia
SENSORES
IMAGEADORES
NÃO-IMAGEADORES
PASSIVOS ATIVOS PASSIVOS ATIVOS
NÃO-FOTO FOTO câmera fotográfica “scanners” mecânico óptico eletrônico SLAR SAR SONAR radiômetros fotômetros radar altímetro “scatterometer” laser
Fotografias, imagens, fitas magnéticas. Amostragem e visualização maior
Gráficos, tabelas, temperaturas. Amostragem e visualização menor
PRINCIPAIS TIPOS DE SISTEMAS SENSORES
CÂMARAS FOTOGRÁFICAS
CÂMARAS DE VÍDEO
SENSORES DE VARREDURA (“SCANNERS”)
RADARES IMAGEADORES
sensores que operam na parte “ótica” do EEM (VIS-IF.V.
T).
medem a energia solar refletida ou a energia térmica emitida > informações
sobre as propriedades químicas dos materiais.
sensores que operam na faixa de microondas.
medem propriedades físicas (rugosidade e geometria) e elétricas
(condutividade, que por sua vez, depende da porosidade e conteúdo em água)
dos materiais.
resolução temporal
resolução espacial
resolução espectral
resolução radiométrica
Resolução temporal:
horas, dias, semanas
Ex: órbitas sincrônicas ao Sol permitem predictibilidade temporal do recobrimento global. Acesso repetitivo: mesma área; mesma hora.
A Dimensão Temporal
Junho 1975Agosto 1986
Junho 1992
Estrutura
• Espacial:
arranjo de elementos na forma de malha ou
“grid”, onde
cada cela desse grid é definida por valores de x, y e z.
• X e Y:
localização de cada cela ou
pixel
(picture element) é definida
por um sistema de coordenadas em “linha” e “coluna”.
• Origem do Grid:
canto superior esquerdo.
• Z:
nível de cinza de uma cela (DN: Digital Number) - intensidade da
REM (refletida ou emitida pelos diferentes materiais) medida pelo
sensor, para uma área da superfície terrestre correspondente ao
tamanho do pixel.
• Imagem Digital:
matriz de dimensões
x
(linhas)
por
y
(colunas),
com
cada elemento possuindo um atributo
z
(nível de cinza).
• Ex.: Landsat/TM:
6.550x6.550 pixels (> 42 milhões de pixels por
banda).
IMAGEM
MALHA DE NÚMEROS
CORRESPONDENTES
X
Y
40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 200 200 200 200 40 40 40 40 200 200 200 200 40 40 40 40 200 200 200 200 200 200 200 200 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 40 40 40 40 200 200 200 200 40 40 40 40 40 40 40 40 200 200 200 200 40 40 40 40A
E
STRUTURA
DE UMA
I
MAGEM
A
E
STRUTURA
DE UMA
I
MAGEM
A
E
STRUTURA
DE UMA
I
MAGEM
17 26 34 37 14 13 14 14 14 15 15 19 13 14 14 14 39 21 14 13 14 14 21 14 15 14 15 13 16 13 13 13 15 14 12 36 32 27 27 36 21 13 14 14 13 28 34 34 27 34 19 14 14 14 31 38 32 35 34 18 15 14 13 27 34 28 39 36 15 15 15 15 30 32 27 40 33 17 15 14 15
IMAGEM EM TONS DE CINZA
IMAGEM EM TONS DE CINZA
A
E
STRUTURA
DE UMA
I
MAGEM
A
E
STRUTURA
DE UMA
I
MAGEM
IMAGEM EM TONS DE CINZA
1 20 1 60 40 60 40 20
NUMERO DE COLUNAS (OU PIXELS)
N U ME R O D E LIN H A S (OU PIXELS ) 17 51 204 229 110 25 68 221 42 17 136 229 178 167 178 59 178 31 15 153 153 161 178 161 161 178 178 155 178 175 175 153 204 238 229 221 204 229 229 246 204 229 229 230 195 229 229 221 195 51 51 153 212 17 76 174 212 14 64 170 212 35 25 119 178 161 42 17 221 115 17 26 204 161 17 14 170 161 110 17 59 204 221 229 187 220 212 221 127 229 212 229 34 136 229 229 195 102 17 51 136 170 170 187 115 221 221 221 153 25 102 101 153 170 170 187 195 102 141 14 153 170 170 187 178 170 161 102 161 170 170 187 178 170 161 25 1 5
NUMERO DE COLUNAS (OU PIXELS)
1 10 NU ME RO D E LINH AS (OU P IX E LS )
Resolução das Imagens de S. R.
• Resolução Radiométrica
- corresponde ao número de níveis
digitais, representando níveis de cinza (DNs), usados para
expressar os dados coletados pelo sensor. Quanto maior o
número de níveis, maior é a resolução radiométrica
.– Embora o olho humano não consiga distinguir >30 níveis de cinza entre o preto
e o branco, um sistema digital não possui limitação alguma nesse sentido.
Número de níveis (DNs):
é comumente expresso em função do
número de dígitos binários (bits) necessários para armazenar
em forma digital o valor do nível máximo. O valor em bits é
sempre uma potência de 2.
• 6 bits = 26 = 64 níveis (SPOT, MSS)
• 8 bits = 28 = 256 níveis (TM)
• 12 bits = 212 = 4096 níveis (AVIRIS)
DN de um pixel:
corresponde à média da intensidade de
energia, refletida ou emitida pelos diferentes materiais
presentes na área correspondente a um pixel.
8 BIT (2
8)
(256 gray levels)
1 BIT (2
1)
(2 gray levels)
5 BIT (2
5)
(32 gray levels)
R
ESOLUÇÃO
R
ADIOMÉTRICA
4
128
64
32
16
8
Cena exibida com diferentes níveis de cinza (4, 8, …128).
Somente cerca de 20-30 níveis de cinza podem ser percebidos.
• Resolução Espacial
- capacidade do sistema sensor em
“enxergar” objetos na superfície terrestre. Quanto
menor o objeto possível de ser visto, maior a resolução
espacial de um sensor.
O Campo Instantâneo de Visada (IFOV) de um sensor é definido pelo
diâmetro do campo instantâneo de visada angular do sensor, constituindo-se na área do terreno imageado que é vista pelo sensor de uma dada altitude em um dado momento. De forma simplificada, o IFOV representa o tamanho do pixel e, consequentemente, a resolução espacial.
O campo instantâneo de visada
(IFOV) de um sensor define o
tamanho do pixel e, consequentemente,
a resolução espacial do mesmo.
O IFOV é definido pelo diâmetro do campo
instantâneo de visada angular (
a
) do sensor.
X Y
O Campo Instantâneo de Visada (IFOV)
DETECTOR
a
SISTEMA ÓTICOR = Hd/f
onde:
H= altura da plataforma
d = diâmetro do detector (
a)
f = distância focal
R= resolução
V o lta g e m d e S a íd a RADIÂ NC IA Voltagem de Saída
Área a partir da qual a radiação está sendo recebida há um instante específico. Este é o pixel.
Rotação Sensor Fotoelétrico Grama Plantação Solo Tempo - DISTÂNCIA Direção de Imageamento Água
Geração de Imagens (DNs)
DNs:
•
correspondem à radiância média medida em cada pixel.
•
resultantes da quantização do sinal elétrico original do sensor em números
inteiros positivos usando um processo denominado de conversão do sinal
analógico em digital.
Conversão sinal analógico sinal digital:
•
o sinal elétrico original do sensor é amostrado em um conjunto de intervalos de
tempo e registrado numericamente a cada ponto de amostragem (A,B,C,...).
• a taxa de amostragem (ou intervalo de amostragem mínimo) é determinada em
função da mudança de mais alta frequência do sinal.
DNs são registrados em intervalos numéricos de 63; 127; 255; 511;
0-1023. Estes intervalos representam o conjunto de números inteiros que podem
ser manipulados usando 6, 7, 8, 9 e 10 bits em escalas de código binário
IKONOS - 1m
IRS-1C (Pan) - 5.9m
SPOT (Pan) - 10m SPOT (XS) - 20m
IRS MSI LISS III - 23.5m Landsat TM - 30m
R
ESOLUÇÃO
E
SPACIAL
Uma mesma cena representada por pixels de diferentes tamanhos
1:10m
1:320m
1:80m
1:40m
1:20m
1:160m
R
ESOLUÇÃO
E
SPACIAL -
Z
OOM
Cena com resolução espacial de 10 m observada sob fatores de zoom
progressivamente maiores (> zoom = > quantidade de detalhes perceptíveis)
Orbview Pan - 1 metro Orbview Col. - 4 metros
IRS-1C Pan - 6 metros SPOT Pan - 10 metros
Landsat-5 TM : 30 metros : 1984 IKONOS-2 : 1 metro : 2000
QuickBird : 0.61m : 2002
SPOT-5 : 5 metros: 2002
Foto Aérea 1:8.000 - Abril/02 QuickBird (61cm) - Junho/02
SPOT-1 : 10 metros : 1986
Campus da UNICAMP visto por diferentes sensores remotos sob diferentes resoluções espaciais
Resolução Espacial vs Escala - 1:70.000
Resolução Espacial vs Escala - 1:35.000
Resolução Espacial vs Escala - 1:17.500
Resolução Espacial vs Escala - 1:8.000
Resolução Espacial vs Escala - 1:4.000
Resolução Espacial vs Escala - 1:2.000
Resolução Espacial vs Escala - 1:1.000
Resolução Espacial vs Escala - 1:500
Resolução Espectral
Resolução Espectral
- definida pelo número de bandas
espectrais de um sistema sensor e pela largura do intervalo
de comprimento de onda coberto por cada banda. Quanto
maior o número de bandas e menor a largura do intervalo,
maior a resolução espectral de um sensor.
R
ESOLUÇÃO
E
SPECTRAL
36 32 32 ……….. 37 38 36 ……….. 112 113 118 ……….. 106 102 112 ……….. 12 14 14 13 ………. 12 12 19 16 ………. 13 12 18 ………... 14 14 19 16 ………. . . . . .
band 1
band 3
band 2
170 174 177 174 .... 167 159 165 164 .... 156 154 159 164 .... 172 178 175 162 .... 166 163 160 157 .... 165 160 177 180 .... ...
A Dimensão Espectral
58 55 51 56 .... 58 49 45 44 .... • 114 109 104 .... • 108 105 102 .... • 103 110 107 .... • 100 97 90 .... ... 110 114 116 113 .... 111 112 113 115 .... 112 114 109 104 .... 113 108 105 102 .... 114 103 110 107 .... 115 100 97 90 .... ... banda 1 banda 2 banda ‘n’Landsat ETM+ banda 1
banda 2 banda 3 banda 4 banda 5 banda 7 Campinas
PANCROMÁTICA MULTIESPECTRAL HIPERESPECTRAL ULTRAESPECTRAL
Comparação de Tecnologias Espectrais
PANCROMÁTICA ULTRAESPECTRAL MULTIESPECTRAL HIPERESPECTRAL 400nm 1000 1500 2000 2500nm 400nm 1000 1500 2000 2500nm BANDAS UMA DEZENAS CENTENAS MILHARES 0.4µm 1.0 1.5 2.0 2.5µm 0.4µm 1.0 1.5 2.0 2.5µm
Pancromatic Hiper-espectral Multi-espectral Ultra-espectral Campinas
Exemplos
Colunas - Dimensão Espacial
Exemplo: imagem AVIRIS
• 1024 linhas
• 614 colunas
Sensoriamento Remoto Hiperespectral
-CONCEITO
Outra particularidade entre os espectros derivados de imagens hiperespectrais e espectros medidos em laboratório são as ‘lacunas de informação’ nos comprimentos de onda centrados em 1.4m e 1.9m, que correspondem às regiões onde os componentes atmosféricos, principalmente água, absorvem completamente a radiação solar incidente
The Hyperspectral CUBE
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
AVIRIS – 224 bands 0,5m 1,0m 1,5m 2,0m 2,5mRGB true colour composite
Vegetação
Concreto
Comp. de Onda (m) Refl ec tanc ia (% )Caulinita
Hyperion/AVIRIS – resolução espectral (> 200 bandas)
Caulinita
Vegetação
Concreto
Wavelength (m) Reflec tance (% ) Landsat-5 TM (6 bandas) B1 B2 B3 B7 B5 B4Cores em SR
Prof. Carlos Roberto de Souza Filho
Colour Combination Basic Principles
VISIBLE BANDAS 4, 3, 2 SWIR NIR 1 2 3 4 5
(TM
7
,
4
,
2
) - Chattanooga, Tennessee
• bare soil and urbn areas (magenta); contrast with vegetation (green)
(TM
4
,
5
,
7
) - Chattanooga, Tennessee
• only infrared bands (information not seem by human eye)
(TM
6
,
5
,
7
) - Chattanooga, Tennessee
• vegetation is relatively COLD – lac of red hues over the vegetation and crops.
• urban areas absorb and emit energy prominently - and therefore are shown in red hues
Dados de Satélite
Dados de Alta Altitude
Sensoriamento Remoto em Multi-Estágios
Dados deBaixa Altitude
Estação Experimental
SISTEMAS IMAGEADORES -
PASSIVOS
FOTOGRÁFICOS: câmera fotográfica
NÃO-FOTOGRÁFICOS (IMAGEADORES):
- óptico-eletrônico (ou eletro-óptico)
- sistemas de imageamento vidicon
-
Sensores de quadros ou “frame”- sistemas de varredura mecânica
-
”Across-track scanners”: método de varredura do tipo “whiskbroom”- sistemas de varredura eletrônica
-
”Along-track scanners”: método de varredura do tipo “pushbroom”- sistemas de varredura eletrônica instantânea
SENSORES DE VARREDURA (“SCANNERS)
utilizam conjuntos de foto-detectores, filtros espectrais, prismas e espelhos, contrôle e processamanto eletrônico e algum tipo de dispositivo de calibração.
possuem conjuntos de detectores eletrônicos sensíveis à REM de diversas regiões do EEM entre 0.4m e 12m, incluindo o VIS, NIR,SWIR, MIR, TIR.
estes sensores podem adquirir imagens em faixas bastante estreitas dentro de cada uma dessas regiões, o que lhes confere grande resolução espectral.
o intervalo específico medido pela combinação dos detectores e filtros é denominado banda espectral de um sensor.
existem duas categorias de scanners multiespectrais:
o os que imageam o terreno através de varredura com direção perpendicular à linha de
vôo (across-track scanning)
o os que imageam por varredura ao longo da linha de vôo (along-track scanning).
(scanners eletro-mecânicos do tipo across-track)
S
ENSORES DE
V
ARREDURA
WHISKBROOM
Exemplos: LANDSAT MSS/TM
ESPELHO OSCILANTE DE VARREDURA DETECTORES MÚLTIPLOS/BANDA DETECTORES INDIVIDUAIS de slo came nto varre dura faixa imageada
Across-track scanners: método de varredura do tipo whiskbroom:
constituídos internamente de um espelho oscilante que se movimenta de
um lado para outro da linha de vôo, “varrendo” a superfície terrestre;
esse espelho recebe a energia oriunda de uma faixa da superfície terrestre
localizada abaixo do sensor e de direção ortogonal à linha de vôo, enviando em seguida essa energia internamente, através de lentes, para o sistema de detectores;
cada faixa sucessiva da superfície é coberta à medida em que o sensor se
move para a frente, produzindo uma série de linhas contíguas que irão compor o arranjo bi-dimensional da imagem final.
exemplos de scanners do tipo whiskbroom são o Multispectral Scanner
(MSS) e o Thematic Mapper (TM) dos satélites da série Landsat.
MATRIZ LINEAR DE DETECTORES (UM ARRANJO POR BANDA) VARREDURA POR DESLOCAMENTO DO SATÉLITE LENTE GRANDE ANGULAR de slo came nto varred ur a
Exemplos: SPOT,
IRS, JERS
PUSHBROOM
(scanners eletro-mecânicos do tipo along-track)
SENSORES DE VARREDURA ALONG-TRACK
Along-track scanners: método de varredura do tipo pushbroom:
dispensam o uso de espelho oscilante;
apresentam seus detectores dispostos através de um arranjo linear com um
grande número de elementos do tipo CCDs (Charge-Coupled Devices).
o sensor utiliza uma lente para direcionar a energia recebida de uma faixa da
superfície terrestre, de direção perpendicular à linha de vôo, diretamente para o arranjo linear de detetores.
esse arranjo linear possui um número de detetores igual ao número de
elementos de resolução no terreno (pixels) da imagem final.
ARRANJO
BI-DIMENSIONAL
PARA CADA BANDA
STEPSTARE
(Imageamento do tipo snapshot)
S
ENSORES DE
V
ARREDURA
Along-track scanners: método de varredura do tipo snapshot :
apresentam seus detectores dispostos através de um arranjo bi-dimensional
para cada banda (mais recente avanço tecnológico!).
o EarthWatch QuickBird é o único sensor que planeja utilizar tal dispositivo
até o momento.
CARACTERÍSTICAS SENSOR AEROPORTADO SENSOR ORBITAL Altitude Visada Resolução Iluminação Retorno Cobertura Geogr. Linha de Vôo Acesso
Baixa (até 20.000 metros) Alta (acima de 175 km) Restrita
(diversas linhas de scan > grandes áreas)
Ampla
(poucas linhas de scan > grandes áreas)
Fixa
(pela órbita do satélite)
Variável
(segundo as necessidades do usuário)
Variável - áreas amplas Não é sincrônica ao Sol
Constante - áreas amplas Sincrônica ao Sol Frequente/Flexível
(minutos)
Fixa
(pela órbita do satélie - dias)
Fixa
(pela órbita do satélie - dias)
Fixa
(pela órbita do satélie)
Variável
(segundo as necessidades do usuário)
Variável
(segundo as necessidades do usuário)
S
ENSORIAMENTOR
EMOTOE
LETROMAGNÉTICO DER
ECURSOST
ERRESTRES(i) Fontes de Energia
(iii) Interação com Feições da Superfície Terrestre (ii) Propagação através da Atmosfera (iv) Retransmissão através da atmosfera (v) Sistemas Sensores USUÁRIOS
(vi) Dados (viii) Produtos Finais (v) Dados de Referência (vii) Interpretação e Análise Analógico Digital Visual Digital
AQUISIÇÃO DE DADOS ANÁLISE DE DADOS
Os sensores de energia eletromagnética, que operam a bordo de plataformas orbitais e aerotransportadas, são dispositivos que nos auxiliam no mapeamento, quantificação e monitoramento dos recursos da Terra.
(6) Usuários dos Dados (Multi-disciplinares)