Sensoriamento Remoto e PDI

(1)

Sensoriamento

(2)

Introdução

REM e Comportamento Espectral

Sistemas Sensores

Imagens de Sensoriamento Remoto

Aplicações

Processamento Digital de Imagens - PDI

Imagem de satélite mostrando o furacão Isabel, com ventos de 260 km/h, se aproximando da Costa Leste dos EUA (09h56)

(3)

Earth Surface

Sources

of Energy

Sensing

Systems

Definição

SENSORIAMENTO REMOTO (SR): tecnologia que permite a aquisição de informações (medidas) sobre um objeto (alvo), área (superfície do terreno) ou fenômenos, por meio de instrumentos físicos (sistemas sensores), sem que haja contato direto entre eles.

Energia Acústica (sismógrafos e sensores)

Energia Gravitacional (gravímetros)

(4)

(5)

Sistema de Aquisição de Dados por SR

1

1 -

-

Introdu

ç

ão

FONTE DE REM(Natural ou Artificial)

MEIO DE PROPAGAÇÃO (Interações com a Atmosfera)

SUPERFÍCIE TERRESTRE (Interações com os Objetos)

SENSOR (Coletor + Sistema de Registro)

ANALISADOR (Processamento do Sinal)

Intensidade do Sinal

• Propriedades dos alvos • Configuração do sensor • Altitude do Sensor

(6)

Níveis de Aquisição de Dados por SR

1

1 -

-

Introdu

ç

ão

LABORÁTÓRIO OU CAMPO: para conhecer o comportamento espectral de um objeto sob condições controladas, ou seja, as interações energia x matéria para um determinado alvo da superfície terrestre; fundamental para a melhor extração de informações e compreensão do efeito de fatores ambientais e/ou propriedades inerentes dos objetos sensoriados.

AERONAVE

(7)

(8)

Perspectiva Histórica

1

1 -

-

Introdu

ç

ão

1822: Desenvolvimento da teoria sobre a luz (espectro eletromagnético) e avanços no campo da ótica e espectroscopia.

1909: Desenvolvimento de aviões. Tomada de fotografias aéreas.

1931: Início das pesquisas sobre o comportamento espectral de objetos de superfície.

1940: Primeiras medidas radiométricas de objetos da superfície (radiação infravemelha).

1944: Primeiros experimentos para utilizar câmaras multibanda (fotografias multiespectrais de Marte e da Lua).

1954: Desenvolvimento de sistemas de radares imageadores.

1961: Aperfeiçoamento de foguetes de lançamento após a 2a _{Guerra Mundial. Desenvolvimento}

de veículos espaciais tripulados e não tripulados. Avanços no campo das telecomunicações e no campo da computação. Primeira fotografia orbital.

1972: Primeiro satélite de recursos terrestres é colocado em órbita.

1983: Desenvolvimento de detectores mais sensíveis, equipamentos óticos mais precisos e de microcomputadores e soluções para a armazenagem e transmissão de dados a grandes distâncias.

(9)

Definição

RADIAÇÃO OU ENERGIA ELETROMAGNÉTICA - REM:

definida como

sendo a forma de energia que se move à velocidade da luz (3.10

8

_{m/s) seja como}

ondas eletromagnéticas

, de modo harmônico e senoidal (modelo ondulatório),

seja como

partículas eletromagnéticas

, e que não necessita de um meio material

para se propagar (modelo corpuscular).

(10)

2

2 –

–

REM e Comportamento Espectral

Freqüência Comprimento

(11)

Fontes de REM

NATURAL: fonte solar ou terrestre

ARTIFICIAL: sistemas de microondas

2

(12)

Espectro Eletromagnético

Define a representação contínua da

REM em termos de comprimento de

onda, freqüência ou energia.

2

2 –

–

REM e Comportamento Espectral

> 100 cm Ondas de rádio 1,0-100 cm Microondas > 3,0μm Distante 1,3-3,0μm Médio 0,7-1,3μm Próximo Infravermelho (0,7 - > 3,0μm) 0,6-0,7μm Vermelho 0,5-0,6μm Verde Visível (0,4-07μm) 0,4-0,5μm Azul 0,003-0,4μm Ultravioleta 0,03-3,0nm Raios X < 0,03nm Raios γ Raios cósmicos Compriment os de ondas Categorias

(13)

(14)

(15)

(16)

Comportamento Espectral de Alvos

O fluxo de radiação eletromagnética ao se propagar pelo espaço pode interagir com superfícies ou objetos, sendo por estes refletido, absorvido e/ou reemitido.

Este fluxo depende fortemente das propriedades físico-químicas dos elementos irradiados, e o fluxo resultante constitui uma valiosa fonte de informações a respeito daquelas superfícies ou objetos.

2

2 –

–

REM e Comportamento Espectral

EXTRAÇÃO DE

INFORMAÇÕES

DE DADOS DE SR

INTERAÇÃO

ENERGIA – MATÉRIA

O Comportamento Espectral de um Alvo pode ser efinido como sendo a medida da reflectância deste alvo ao longo do espectro eletromagnético.

(17)

Importância

Extração de informações de imagens obtidas pelos sensores; Definição de novos sensores;

Definição do tipo de preprocessamento, a que devem ser submetidos os dados brutos;

Definição da forma de aquisição dos dados (geometria da coleta de dados, freqüência, altura do imageamento, resolução limite, etc.) m

2

(18)

Interações e Efeitos com a Atmosfera (Meio de Propagação)

TIPOS DE ATENUAÇÃO:

Absorção Atmosférica

Espalhamento Atmosférico:

Espalhamento molecular ou Rayleigh (θ < λ); explica a coloração azul do céu. Espalhamento Mie (θ ≅ λ)

Espalhamento não seletivo (θ > λ); explica a coloração branca das nuvens.

2

2 –

–

REM e Comportamento Espectral

Interações com os Alvos da Superfície Terrestre

TIPOS DE INTERAÇÃO:

a partir de uma energia incidente (Ei)

Reflectância (Er): fluxo de radiação refletido

Absortância (Ea): fluxo de radiação absorvido

Transmitância (Et): fluxo de radiação transmitido

(19)

Reflectância e Curvas de Reflectância Espectrais

A Reflectância Espectral é aferida em função do comprimento de onda.

As características de reflectância das feições da superfície terrestre podem ser quantificadas efetuando medidas da proporção de energia incidente que é refletida.

A Curva de Reflectância Espectral define o gráfico de reflectância espectral obtido para um objeto em função do comprimento de onda.

2

2 –

–

REM e Comportamento Espectral

Costuma-se estudar a curvas de

reflectância (Assinatura Espectral) dos seguintes alvos:

Vegetação

Solos

Minerais e Rochas

Água

(20)

Fatores que Interferem na Medida da REM

Método de aquisição da medida de reflectância: Cada modo de coleta determina diferentes resultados, porque é afetado pelos demais fatores que

interferem na tomada de medidas: geometria de aquisição de dados, parâmetros atmosféricos e parâmetros relativos ao alvo.

2

2 –

–

REM e Comportamento Espectral

Parâmetros que variam e interferem na geometria de aquisição de dados:

ângulo zenital do sol; ângulo de visada; ângulo azimutal do sol e do sensor; ângulos azimutais relativos; altitude do sensor .

(21)

Parâmetros atmosféricos: umidade atmosférica; presença de aerossóis; turbulência.

Parâmetros relativos ao alvo: as características de reflectância dos objetos adjacentes ao alvo de interesse também interferem nas medidas de sua reflectância. A energia espalhada pela vizinhança do alvo pode ter um conteúdo espectral diferente da que do objeto de

interesse e mascarar sua resposta.

2

(22)

Processos de Interação Energia x Matéria

Os elétrons de um material podem ser caracterizados pela sua menor energia possível (estado fundamental), ou por uma série de níveis de energia mais elevados (estado excitado), que são alcançados, p. ex., quando da incidência da REM.

Esta passagem do estado fundamental para o estado excitado só é possível porque ocorre uma absorção pelos elétrons da energia incidente.

No espectro eletromagnético, esta absorção de energia é caracterizada por uma diminuição relativa na porcentagem de reflectância em certas faixas de comprimentos de onda, denominadas de bandas de absorção.

A intensidade, forma e localização destas bandas de absorção dependem de cada material e são resultados de três processos diferentes:

Processo rotacional: nível molecular, na faixa do infravermelho distante e microondas.

Processo vibracional: a nível molecular, entre 1,0 e 2,5μm.

Processo eletrônico: ocorre a nível atômico e está subdividido dois processos:

Transferência de carga: absorção em comprimentos de onda inferiores a 0,4μm, próximo a região do

ultravioleta e azul.

Efeito do campo cristalino: absorção situadas na porção do espectro visível e infravermelho próximo.

2

(23)

Comportamento Espectral da Vegetação

2

2 –

–

REM e Comportamento Espectral

FATORES:

Condições atmosféricas;

Espécie de solo (granulometria, água, nutrientes);

Índice de área foliar (cobertura da vegetação por unidade de área);

Estado fenológico (variação sazonal);

Biomassa (densidade total de vegetação);

Folha (forma, posição, água, pigmentação, estrutura interna, etc.);

(24)

(25)

Comportamento Espectral do Solo

2

2 –

–

REM e Comportamento Espectral

FATORES:

Porcentagem de matéria orgânica

Textura (granulometria).

Umidade.

Composição mineralógica (conteúdo de óxido de ferro);

Capacidade de troca catiônica

Condições de superfície (granulometria e estrutura)

Umidade

Composição

Textura

(26)

(27)

Comportamento Espectral de Minerais/Rochas

2

2 –

–

REM e Comportamento Espectral

FATORES:

As rochas apresentam comportamento espectral semelhante ao dos solos, uma vez que eles são produtos de alteração daquelas.

Um dos elementos de maior diferenciação entre as curvas de rochas e solos é a presença de matéria orgânica nestes últimos.

Nos minerais e rochas, os elementos e substâncias mais importantes que determinam as feições diagnósticas na faixa do espectro refletivo (0,4 a 2,5µm) são íons ferroso e férrico, água e hidroxila.

Os elementos químicos mais freqüentes como o silício, alumínio e magnésio possuem interesse secundário.

(28)

(29)

Comportamento Espectral da Água

2

2 –

–

REM e Comportamento Espectral

FATORES:

Estado físico em que a água se encontra;

Quantidade de sedimentos em suspensão;

Quantidade e espécie de poluentes químicos presentes na água.

(30)

Comportamento Espectral de Feições Artificiais

2

2 –

–

REM e Comportamento Espectral

FATORES:

(31)

Fatores de Contexto que Interferem no CEA

Variação temporal do comportamento espectral de alvos; Variação espacial do comportamento espectral de alvos Variações intrínsecas ao alvos

Variação da localização do alvo em relação à fonte e ao sensor

2

(32)

Definição

SISTEMA SENSOR (SR): é um dispositivo capaz de coletar e registrar a REM,

fotografica ou eletronicamente, proveniente do alvo em determinada faixa do espectro eletromagnético.

(33)

Tipos de Sensores

3

3 –

–

Sistemas Sensores

Em função do tipo de transformação sofrida

pela REM:

Sensores Imageadores: produzem uma imagem do alvo.

• Sistema de Quadro: adquirem a imagem da

cena (certa área do terreno) em sua totalidade num mesmo instante.

• Sistema de Varredura: a imagem da cena é

formada pela aquisição seqüencial de imagens elementares do terreno ou elementos de

resolução, também chamados “pixels”. Sensores Não Imageadores: fornecem

(34)

3

3 –

–

Sistemas Sensores

Em função da natureza da fonte de REM:

Sensores Ativos: produzem sua própria REM.

Sensores Passivos: trabalham com a radiação refletida ou a radiação emitida pelo alvo, originada a partir de uma fonte de radiação externa.

(35)

(36)

2

2 –

–

REM e Comportamento Espectral

PASSIVO

Infravermelho

(37)

2

2 –

–

REM e Comportamento Espectral

ATIVO

RADAR

(38)

3

3 –

–

Sistemas Sensores

Em função do sistema de registro da REM:

Sensores Fotográficos: utilizam como fonte de registro um filme fotográfico. Sensores Não Fotográficos: utilizam radiômetros e radares.

(39)

3

3 –

–

Sistemas Sensores

Em função da faixa do espectro em que operam:

Sensores Ópticos:

caracterizam-se pela utilização de componentes óticos na

sua construção e operam na faixa espectral de 0,3 a 15

μ

m:

² Sensores de Energia Solar Refletida: divide-se nas seguintes subregiões:

¾ Visível: 0,38-0,72μm

¾ Infravermelho Próximo: 0,72-1,3μm

¾ Infravermelho Médio: 1,3-0,3μm

² Sensores Termais: operam na região do infravermelho distante (7-15μm).

Sensores de Microondas:

operam numa região do espectro caracterizada por

ondas de comprimento entre 1mm.

(40)

Geração de uma Imagem de SR

Um sistema-sensor imageador produz uma imagem bidimensional da radiância, emitância ou retroespalhamento das trocas energéticas com os objetos da superfície terrestre, num

determinado instante, naquele espaço físico, tornando-se apto a extrair informações sobre aquela região.

As imagens produzidas são então caracterizadas pelos seguintes critérios.

Resolução Temporal

Resolução Radiométrica

Resolução Espectral

Resolução Espacial

(41)

A Imagem Digital

4

4 –

–

Imagens de Sensoriamento Remoto

Definição: composta de um arranjo bidimensional de elementos de dimensões

discretas, denominados de pixels. A intensidade de cada pixel corresponde ao brilho médio, ou radiância, medido eletronicamente sobre a área do terreno.

Número digital (DN; digital number): corresponde à radiância média medida em cada pixel. Esses valores são, simplesmente, números reais positivos que resultam da quantização do sinal elétrico original oriundo do sensor para um número real positivo através do processo denominado conversão de sinal análogo para digital.

(42)

(43)

Resolução Temporal

4

4 –

–

Imagens de Sensoriamento Remoto

Representa a freqüência com que a área de interesse é revisitada ou imageada.

Expressa o intervalo de aquisição de dados por um sistema sensor, ou seja, está

relacionada com a repetitividade com que o sensor possui na obtenção de

(44)

Resolução Radiométrica

Quanto maior for esta resolução,

maior será a sensibilidade do sensor

nas pequenas diferenças de radiação,

aumentando o poder de contraste e

de discriminação das imagens. Ex.:

No Landast 7 = 256 números

digitais (8 bits); no ERS em 16 bits

= 65.536 níveis.

4

4 –

–

Imagens de Sensoriamento Remoto

Representa a maior ou menor capacidade de um sistema sensor detectar e

registrar diferenças de reflectância e/ou emitância dos alvos, isto é, as

intensidades de sinal ou número de níveis digitais em que a informação se

encontra registrada.

(45)

Resolução Espectral

Expressa a capacidade do sensor de registrar a radiação em diferentes regiões do

espectro, definindo a melhor ou pior caracterização dos alvos em função da

largura espectral e/ou número de bandas em que opera o sistema sensor.

Quanto melhor a resolução espectral, maior o número de bandas espectrais que

podem ser adquiridas sobre os objetos da superfície, aumentando o poder de

extração de informação. Ex.: sensor TM do Landsat = 7 faixas espectrais; Spot =

4 bandas .

4

(46)

(47)

Resolução Espacial

Depende das

características dos detetores, altitude da plataforma, contraste entre os objetos, etc. Ex.: sensor TM = 30m; Spot 4 = 10 m; Ikonos II = 1 m.

Capacidade do sensor de detectar objetos a partir de uma determinada dimensão; entende-se como entende-sendo a mínima distância entre dois objetos (alvos) que um entende-sensor pode registrá-los como sendo objetos distintos.

Imagem LANDSAT/TM com 30 metros de resolução

espacial.

Imagem LANDSAT/TM com 120 metros de resolução

espacial.

4

(48)

Largura da Faixa Imageada

Corresponde à largura da faixa de varredura, que varia de acordo com o satélite.

Ex.: Landsat = 185 km; CBERS = 120 km; Spot = 60 km; Ikonos II = 13 km.

4

(49)

O uso de imagens (p. ex., fotografias aéreas) nasceu da necessidade de mapear-se grandes

áreas, sobretudo na confecção de CARTAS TOPOGRÁFICAS, com economia de

tempo e despesas.

A potencialidade do SR como método de investigação dos fatos e fenômenos presentes na superfície da Terra constitui-se numa técnica de grande utilidade, pois

...

Permite, em curto espaço de tempo, a obtenção de uma grande quantidade de informações a respeito de registros dos alvos.

(50)

Interpretação de Imagens

Interpretação de Dados Pictoriais: envolve a análise visual de imagens no formato analógico (em papel);

Interpretação de Dados Digitais: análise visual de imagens no formato digital, diretamente na tela do computador.

Interpretação Estereoscópica de Imagens: estudo de pares estereoscópicos de imagens no formato analógico ou digital.

Processamento Digital de Imagens – PDI: envolve o tratamento dos dados digitais, através de softwares específicos, para auxiliar na interpretação.

5

(51)

Tipos de Abordagem

Visualização singular de um alvo: em um período de tempo, dentro de uma faixa definida e numa altitude determinada.

Visualização múltipla dos dados coletados: para prover mais informações sobre uma mesma região da superfície terrestre. Pode ser feita das seguintes formas:

Aquisição Multisensorial: área levantada por mais de um tipo de sensor.

Sensoriamento Multinível: os dados de um alvo são imageados a partir de diversas altitudes (orbital, alta altitude, baixa altitude e terrestre) e analisados em conjunto.

Imageamento Multiespectral: os dados são coletados pelo sensor, simultaneamente, em várias bandas espectrais. Ao analisar em conjunto os sinais registrados nas múltiplas bandas espectrais, um com ou outro, mais informação é obtida do que apenas se usar uma simples banda ou se analisar múltiplas bandas independentemente.

Sensoriamento Multitemporal: envolve o imageamento de uma área em várias ocasiões; faz uso das mudanças que ocorrem com o tempo para discriminar as condições da superfície do terreno.

5

(52)

Procedimentos para um Estudo com SR

5

5 -

-

Aplica

ç

ões

Definição clara do problema a ser resolvido e articulação dos objetivos envolvidos; Avaliação do potencial e extensão do SR para abordar o problema;

Identificação dos tipos de dados de SR a serem combinados, apropriados para o estudo, e dos procedimentos usados na aquisição de cada um deles;

Determinação dos procedimentos e técnicas a serem empregados na interpretação dos dados, e da necessidade ou não de dados de referência para completar o estudo;

Avaliação da performance dos sistemas de SR com relação à qualidade da informação coletada. Deve ser identificado e definido o critério pelo qual o produto será julgado.

(53)

(54)

Principais Aplicações em Geociências

5

5 –

–

Aplica

ç

ões

Implantação de Obras de Engenharia de Médio e Grande Porte Geomorfologia Física, Dinâmica e Ocupacional

Cartografia Geológica

Exploração de Recursos Naturais Estudos Agronômicos e Florestais

Planejamento do Uso da Terra em Nível Urbano e Rural Estudo de Bacias Hidrográficas

Estudo e Avaliação Ambiental:

Movimentos de Massa

Assoreamento de Vales, Lagos ou Represas Erosão Acelerada

(55)

E Outras Diversas Áreas ...

5

5 –

–

Aplica

ç

ões

Arqueologia: localização de sítios arqueológicos

Meteorologia

Biologia: estudo de vegetação

Planejamento e Estratégia militar Formulação de Políticas Econômicas Geografia

Oceanografia Etc ...

(56)

5

5 –

–

Aplica

ç

ões

E COMO FONTE DE

DADOS PARA

INTEGRAR OS

(57)

Sistemas de Processamento/Tratamento de Imagens

São sistemas destinados à extração de informações a partir de dados de Sensoriamento Remoto, de modo que a entrada seja uma imagem e, a saída do processo seja uma outra imagem. Esta extração pode ser feita de duas formas:

Objetivo: melhoria do aspecto

visual de certas feições estruturais fornecer outros subsídios para a sua

interpretação, inclusive gerando produtos que possam ser

posteriormente submetidos a outros processamentos.

Extração Qualitativa: através da observação de imagens realçadas pelo sistema;

Extração Quantitativa: através da utilização de procedimentos de classificação automática, cujas saídas são imagens temáticas e tabelas de área associadas a cada classe discriminada na imagem.

(58)

Procedimentos de PDI

6

6 –

–

PDI

–

Processamento Digital de Imagens

ENTRADA

IMAGEM BRUTA

(dado digital multiespectral)

PROCESSAMENTO

MANIPULAÇÃO &

ANÁLISE

SAÍDA

IMAGEM TRATADA

(informações realçadas

da imagem bruta)

IMAGEM TEMÁTICA

(por classificação)

ETAPAS:

Pré-processamento

Realce (qualitativo)

Composição colorida

Classificação (quantitativo)

Fusão de dados

Integração SIG

(59)

Softwares de PDI

6

6 –

–

PDI

–

Processamento Digital de Imagens

Imagem Geosistemas Brasil INPE SPRING* Imagem Geosistemas Brasil INPE SITIM / SGI* Autodesk EUA Autodesk REGIS* Purdue University EUA Purdue Research Foundation MULTISPEC Sisgraph EUA Intergraph MGE* Clark University EUA Clark University IDRISI * Terrapix Tecnologia EUA ERM ER/MAPPER SulSoft EUA IDL ENVI Three /Tek Canadá PCI - CRS EASI / PACE Representante comercial Origem Desenvolvedor Sistema

(60)

Composição Colorida

6

6 –

–

PDI

–

Processamento Digital de Imagens

Processo de Formação de Cores: resulta da combinação de 3 cores pelos processos aditivo ou subtrativo.

(61)

6

(62)

6

(63)

Elementos de Interpretação de Imagens

6

6 –

–

PDI

–

Processamento Digital de Imagens

TONALIDADE COR TEXTURA TAMANHO FORMA SOMBRA PADRÃO LOCALIZAÇÃO GEOGRÁFICA

(64)

Tonalidade

6

6 –

–

PDI

–

Processamento Digital de Imagens

As variações de tonalidade da cena fotografada ou imageada são representadas por diferentes tonalidades, ou tons de cinza, que variam do branco ao preto. Quanto mais luz ou energia um objeto refletir, mais a sua

representação na fotografia ou imagem vai tender ao branco e, quanto menos energia refletir (absorver mais energia), mais a sua representação na fotografia ou imagem vai tender ao preto.

(65)

Cor

6

6 –

–

PDI

–

Processamento Digital de Imagens

É mais fácil interpretar imagens coloridas do que em preto e branco, porque o olho humano distingue cem vezes mais cores do que tons de cinza.

A cor do objeto vai depender da quantidade de energia que ele refletir (no canal correspondente à imagem), da mistura entre as cores (processo aditivo), e da cor que for associada às imagens originais em preto e branco.

(66)

Textura

6

6 –

–

PDI

–

Processamento Digital de Imagens

Refere-se ao aspecto liso (e uniforme) ou rugoso dos objetos em uma imagem.

Útil na identificação de unidades de relevo: a textura lisa

corresponde a áreas de relevo plano, enquanto que a textura rugosa corresponde a áreas de relevo acidentado e dissecado pela drenagem.

(67)

6

(68)

Tamanho

6

6 –

–

PDI

–

Processamento Digital de Imagens

O tamanho é uma função da

escala, de uma fotografia ou

imagem, e relativo aos

(69)

Forma

6

6 –

–

PDI

–

Processamento Digital de Imagens

Linear: estradas Curvilínea: rios

Retangular quadrada: casas, prédios, campos de futebol, Faixas retangulares: áreas de cultivo;

Circulares: sistemas de pivô central, vulcões, furacões ...

(70)

Sombra

6

6 –

–

PDI

–

Processamento Digital de Imagens

Em imagens bidimensionais, a altura de objetos como árvores, edifícios, relevo, etc. pode ser estimada através do elemento sombra.

A partir da sombra, outros elementos, como a forma e o tamanho, também podem ser inferidos.

As áreas de maior

sombreamento, que indicam relevo mais alto; as sobras intermediárias encontram-se nas áreas de morros, e as sombras menores, nas áreas de colinas. Nas áreas de relevo muito plano, não há sombras.

Por outro lado, a sombra pode ocultar a visualização dos objetos por ela encobertos.

(71)

Padrão

6

6 –

–

PDI

–

Processamento Digital de Imagens

Refere ao arranjo espacial ou à organização desses objetos em uma superfície.