Introdução ao Sensoriamento Remoto por RADAR

Transcrição

1 Introdução ao Sensoriamento Remoto por RADAR Natural Resources Ressources naturelles Canada Canada

2 Introdução ao Sensoriamento Remoto por RADAR -Sinopse do curso- Por que usar RADAR em Sensoriamento Remoto? Princípios de RADAR SAR Resolução e ângulo de incidência Freqüência e polarização Características da imagem Deslocamento topográfico Speckle Mecanismos de espalhamento Introdução aos sensores

3 Por que usar radar em sensoriamento remoto? Fonte de iluminação controlável - observação noturna e penetração através de nuvens e da chuva As imagens podem ter alta resolução (3-10 m) Diferentes feições são registradas ou discriminadas quando comparadas com sensores ópticos Algumas feições da superfície terrestre podem ser melhor observadas em imagens de radar: gelo, ondas do mar umidade do solo, massa verde objetos artificiais (ex: edifícios) estruturas geológicas

4 RADAR RADAR é a sigla resultante de Radio Detection And Ranging (Detecção e localização por meio de ondas de rádio). Um sistema de radar possui três funções primárias: - Transmite sinais de microondas (rádio) em direção a uma cena - Recebe parte da energia transmitida que é retroespalhada pela cena - Registra a intensidade (detecção) e a defasagem (indicação da distância) dos sinais de retorno. O radar possui fonte de energia própria e, portanto, pode operar durante o dia ou à noite e com céu nublado. Este tipo de sistema é conhecido como um sistema ativo de sensoriamento remoto.

5 RADAR - RAdio Detection And Ranging (Detecção e localização por meio de ondas de rádio) Pulso Distância Eco

6 Espectro Eletromagnético Todas as ondas eletromagnéticas propagam-se à velocidade da luz. Raios-X, luz visível e ondas de rádio são alguns exemplos. Estas ondas são descritas através das variações nos seus campos elétrico e magnético. As ondas eletromagnéticas são caracterizadas pela polarização e pela freqüência ou comprimento de onda (inversamente proporcional à freqüência). O sensoriamento remoto por radar utiliza o intervalo de microondas do espectro eletromagnético, entre as freqüências de 0,3 GHz a 300 GHz ou, em termos de comprimento de onda, de 1 m até 1 mm.

7 Espectro Eletromagnético

8 O Que é Radar de Abertura Sintética (SAR) Um sistema de radar de visada lateral que gera uma imagem de elevada resolução da superfície terrestre (para aplicações de sensoriamento remoto). O radar imageador de visada lateral registra dados ao se deslocar ao longo de sua trajetória. Desta forma, faixas contínuas da superfície do solo são iluminadas paralela e unilateralmente à direção de vôo e gravadas pelo sistema. Posteriormente, os sinais coletados são processados para que imagens de radar sejam geradas. A dimensão transversal é denominada alcance (range). A extremidade do alcance mais próxima do nadir (os pontos diretamente abaixo do radar) denomina-se alcance próximo ( near range ) e a extremidade mais afastada do radar denominase alcance distante ( far range ). A dimensão longitudinal denomina-se azimute. Em um sistema de radar, a resolução é definida tanto para a direção azimutal como para a transversal. Utiliza-se processamento de sinais digitais para focar a imagem e obter uma resolução maior que aquelas adquiridas por radar convencional.

9 Conceito de Abertura Sintética Abertura sintética Última vez que o SAR detecta o objeto Distância percorrida pelo sistema enquanto o objeto estava em observação abertura sintética Trajetória de vôo Primeira vez que o SAR detecta o objeto Rastreio terrestre Nadir Varredura objeto

10 Resolução Como o SAR é um sistema ativo, a resolução real do sensor tem duas dimensões: a resolução em azimute e a resolução de alcance (range). Não se deve confundir a resolução de um sistema SAR com espaçamento de pixel, o qual é decorrente da amostragem efetuada pelo processador de imagem SAR. Alcance A resolução de alcance de um SAR é determinada por limitações de construção do radar e do processador, ambos atuando no domínio do alcance inclinado. A resolução de alcance depende do comprimento do pulso processado; pulsos mais curtos resultam em uma resolução maior. Os dados de radar são criados no domínio do alcance inclinado, mas normalmente são projetados sobre o plano do alcance no terreno quando processados em uma imagem. Azimute Em um radar de abertura real, a resolução em azimute é determinada pela largura angular do feixe (varredura) da faixa de terreno iluminada pelo feixe de radar. Para que dois objetos sejam discriminados numa imagem, devem estar separados em azimute por uma distância superior à largura do feixe no solo. SAR obteve seu nome do processamento em azimute, podendo atingir uma resolução em azimute que pode ser centenas de vezes menor que a largura do feixe da antena transmitido.

11 Resolução em Azimute Um radar de abertura real (RAR) tem uma resolução em azimute dada pela largura do feixe azimutal. Um radar de abertura sintética (SAR) utiliza o processamento de sinais para obter uma resolução em azimute menor que o comprimento da antena Resolução em azimute processada largura do feixe azimutal original

12 Célula de Resolução Fonte: Raney, 1998 r R = resolução de alcance r A = resolução em azimute

13 Ângulo de Incidência Refere-se ao ângulo entre a direção de iluminação do radar e a normal à superfície do solo. O ângulo de incidência varia entre o alcance próximo e o alcance distante, dependendo da altura da trajetória do radar. Essa mudança de ângulo afeta a geometria de visada. Ângulo de Incidência Local O termo ângulo de incidência local leva em consideração o declive local do terreno em qualquer ponto da imagem. O ângulo de incidência local determina parcialmente o brilho ou a tonalidade de cada pixel.

14 Microondas A maioria dos radares de sensoriamento remoto funcionam em comprimentos de onda entre 0,5 cm e 75 cm. As bandas nestas faixas do espectro electromagnético têm sido arbitrariamente identificadas por letras. As bandas mais frequentemente utilizadas por radares imageadores são as seguintes: Banda X: de 2,4 a 3,75 cm (12,5 a 8 GHz). Amplamente utilizada em reconhecimento militar e, a nível comercial, em levantamentos geográficos. Utilizada no CV-580 SAR (Environment Canada). Banda C: de 3,75 a 7,5 cm (8 a 14 GHz). Utilizada em muitos SARs a bordo de satélites, como por exemplo ERS-1 e RADARSAT. Banda S: de 7,5 a 15 cm (4 a 2 GHz). Utilizada no Almaz. Banda L: de 15 a 30 cm (2 a 1 GHz). Utilizada no SEASAT e JERS-1. Banda P: de 30 a 100 cm (1 a 0,3 GHz). Utilizada no NASA JPL AirSAR. A capacidade de penetração através da chuva ou em uma camada superficial de um alvo aumenta com comprimentos de onda maiores. Os radares que operam com comprimentos de onda superiores a 2 cm não são significativamente afetados pela camada de nuvens. A chuva torna-se um fator adverso em comprimentos de onda inferiores a 4 cm.

15 Tamanho Relativo dos Comprimentos de Onda na Faixa de Microondas

16 Escolha da Freqüência do Radar - 1 Parâmetros de aplicação: O comprimento de onda do radar deverá ser compatível com o tamanho das feições do alvo que se deseja discriminar ex: Diferenciação do gelo, pequenas feições, usar banda X ex: Cartografia geológica, grandes feições, usar banda L ex: Penetração no interior da folhagem, melhor com freqüências baixas, usar banda P Em geral, a banda C é uma boa solução de compromisso

17 Comparação de Freqüências: Bandas C, L e P COMPARAÇÃO DE FREQÜÊNCIAS Flevoland, Holanda Imagem agrícola Banda C Banda L Banda P Composição colorida com múltipla polarização, cedida pelo JPL.

18 Escolha da Freqüência do Radar - 2 Parâmetros do sistema: Freqüências baixas: Processamento mais difícil (RCMC, aberturas longas) Necessita de antenas e alimentações maiores Eletrônica mais simples Freqüências elevadas: Necessita de mais potência Eletrônica mais complicada Boa disponibilidade de componentes para banda X Note que muitos SARs para pesquisa têm faixas de freqüência múltipla ex: JPL AIRSAR, SIR-C, Convair-580

19 Polarização Polarização refere-se à orientação, fase relativa e repetibilidade dos campos elétricos e magnéticos das ondas eletromagnéticas. As antenas de um sistema de radar podem ser configuradas para transmitir e receber a radiação eletromagnética polarizada horizontal ou verticalmente. A polarização é definida como paralela quando as energias transmitida e recebida são polarizadas na mesma direção. HH indica energias transmitida e recebida horizontalmente; VV indica energias transmitida e recebida verticalmente. A polarização é definida como cruzada quando as energias transmitida e recebida são polarizadas na direção ortogonal. Por exemplo: HV indica energias transmitida horizontalmente e recebida verticalmente; VH indica energias transmitida verticalmente e recebida horizontalmente. Quando a onda de radar incide em uma superfície e é refletida, a polarização pode ser modificada, segundo as propriedades da superfície. Tal modificação afeta o modo como a cena aparece nas imagens polarimétricas de radar e o tipo de superfície pode freqüentemente ser deduzido da imagem.

20 Polarização de Ondas Eletromagnéticas Campo Elétrico POLARIZAÇÃO VERTICAL POLARIZAÇÃO HORIZONTAL

21 Escolha da Polarização Os SARs operacionais têm normalmente uma única polarização por questão de economia (ex: HH ou VV) Os sistemas de pesquisa tendem a ter polarizações múltiplas (ex: HH, HV, VV, VH - polarimetria de quadratura) Polarizações múltiplas ajudam a distinguir a estrutura física dos alvos através do retroespalhamento o alinhamento em relação ao radar (HH versus VV) a aleatoriedade do espalhamento (ex: vegetação - HV) as estruturas com vértices proeminentes (ex: ângulo de fase HH VV) Espalhamento de Bragg (ex: oceanos - VV)

22 Gelo no Mar de Weddell, Antártida Imagem do ônibus espacial SIR-C/X Banda C, HH Banda L, HV Banda L, HH

23 Península de Victoria & Saanich, Canadá Zona urbana Zona suburbana Floresta Agricultura / desmatamento Banda C, HH Banda L, HV Banda L, HH

24 Vantagens da Polarimetria a matriz de dispersão, a matriz de Stokes e a assinatura de polarização podem ser computadas para cada pixel pode ser uma ferramenta potente de classificação tanto para a classificação visual como para a automática a matriz de dispersão pode ser utilizada para sintetizar o sinal recebido para qualquer tipo de polarização transmitida e recebida estudar as propriedades de dispersão de superfícies diferentes otimizar a polarização, visando obter uma detectabilidade ótima

25 Vantagens das Imagens com Polarização Múltipla

26 Deslocamento do Relevo Como os radares imageadores geralmente imageiam a cena de uma perspectiva oblíqua (i.e. imageamento lateral), eles estão sujeitos a um deslocamento de relevo unidimensional análogo ao inerente a fotografias aéreas. Objetos altos são deslocados radialmente em relação ao nadir em fotografias aéreas, ao passo que a distorção do terreno em imagens de radar é perpendicular à linha de vôo (ou trajetória do satélite), causando um deslocamento de objetos altos em direção ao sensor.

27 Deslocamento Topográfico - Sensor Ótico Sensor ótico Por triângulos semelhantes nadir Superficie de referência Deslocamentos topográficos - Sensor ótico * d = Deslocamento horizontal do topo de uma montanha de 100 m (m)

28 Deslocamento Topográfico - Sensor de Radar Direção de visada aparente Topo da montanha Superfície de referência Projeção ortográfica do topo da montanha Projeção da distância no solo do topo da montanha Deslocamento horizontal do topo de uma montanha de 100 m aéreo/aéreotransportado satélite Fonte: T. Toutin, 1992, ROS and SEASAT Image Geometric Correction IEEE-IGARS, Vol. 30, No. 3, pp

29 Sombras de radar As sombras em imagens de radar indicam áreas na superfície do solo não iluminadas pelo radar. Como nenhum sinal de retorno é recebido pelo sensor, as sombras de radar exibem uma tonalidade muito escura na imagem. Em imagens de radar, as sombras ocorrem na direção das distâncias mais próximas ao sensor (near range) e atrás de objetos altos. São um bom indicador da direção da iluminação do radar, principalmente se a direção do deslocamento do sensor estiver omitida ou incompleta. O ângulo de incidência aumenta do alcance próximo (near range) para o alcance distante (far range), tornando a iluminação do terreno mais oblíqua. Como resultado, o sombreamento se torna mais proeminente na direção do alcance distante (far range). Informações sobre a cena, tal como a altura de um objeto, também podem ser obtidas das sombras de radar. Sombreamento em imagens de radar é um elemento importante na interpretação do relevo de terreno.

30 Sombra de Radar illuminação frente de onda cena distorção sombra Fonte: Raney, 1998

31 Encurtamento de Rampa Encurtamento de rampa numa imagem de radar é a aparente compressão de feições na cena que estão inclinadas na direção do radar. Encurtamento de rampa resulta em uma aparência relativamente mais brilhante destas feições e deve ser levado em consideração pelo intérprete. O efeito de encurtamento de rampa atinge o máximo quando uma encosta íngreme é ortogonal ao feixe do radar. Neste caso, o ângulo de incidência local é zero e, como conseqüência, a base, a encosta e o topo da montanha são iluminados simultaneamente e, portanto, ocupam a mesma posição na imagem. Em um determinado declive ou encosta, os efeitos de encurtamento de rampa são reduzidos para ângulos de incidência maiores. Para ângulos de incidência próximos de 90, os efeitos de encurtamento de rampa são eliminados, embora possa ocorrer um sombreamento intenso. Portanto, para se selecionar o melhor ângulo de incidência, existe sempre um compromisso entre a ocorrência do efeito de encurtamento de rampa e o do sombreamento na imagem.

32 Encurtamento de Rampa iluminação frente de onda cena Fonte : Raney, 1998 deslocamento encurtamento de rampa

33 Inversão de Relevo (Layover) Inversão de relevo (layover) ocorre quando a energia refletida pela parte superior de uma feição é recebida antes do retorno do sinal da parte inferior dessa mesma feição. Assim, o topo do alvo será deslocado ou inclinado em relação à sua base quando a imagem é processada. Em geral, a inversão de relevo é mais predominante em geometrias de visada com ângulos de incidência menores, tais como os de satélites.

34 Inversão de Relevo (Layover) iluminação i frente de onda distorção cena inversão de relevo Fonte: Raney, 1998

35 Deslocamento de Relevo (Sensor de Radar) O tipo e o grau de deslocamento de relevo em uma imagem de radar são funções do ângulo em que o feixe de radar atinge o solo, isto é, depende do declive do solo. Inversão de Relevo Encurtamento de Rampa Sombreamento 0 90º Ângulo de incidência local

36 Desvanecimento (Fading) e Ruído (Speckle) O desvanecimento (fading) e o speckle são processos inerentes ao sistema e reduzem a qualidade da imagem de um sistema imageador coerente. O desvanecimento ocorre devido à variação no atraso da fase do eco, causada por alvos múltiplos em uma célula de resolução com variações de alcance menores que um comprimento de onda. As interferências locais construtiva e destrutiva aparecem na imagem com tonalidades claras e escuras, respectivamente. Os efeitos de desvanescimento e de speckle podem ser significativamente reduzidos através da utilização de um conjunto independente de dados para estimar uma mesma área de terreno, o que pode ser feito através de: Filtros de múltiplas visadas, que dividem a abertura sintética máxima em subaberturas menores, gerando visadas independentes em áreas-alvo, baseando-se na posição angular dos alvos. Portanto, as visadas correspondem a diferentes faixas de freqüência Doppler. Cálculo da média (incoerentemente) de pixels adjacentes. A redução desses efeitos aumenta a resolução radiométrica em detrimento da resolução espacial.

37 Speckle Interferência construtiva Resultado Ondas coerentes de radar Interferência destrutiva Resultado Exemplo de alvo homogêneo Interferência construtiva Graus variados de interferência (entre construtiva e destrutiva) Interferência destrutiva

38 Speckle Plantação de milho Alvo espacialmente uniforme Textura fina Floresta Alvo espacialmente não -uniforme Textura rugosa 300 m 300 m

39 Reflectância Difusa e Especular A rugosidade superficial influencia a refletividade da energia de microondas e, consequentemente, o brilho dos alvos nas imagens de radar. As superfícies lisas e horizontais refletem quase toda a energia incidente em direção oposta ao sistema de radar e são chamadas especulares (do latim speculum, que significa espelho). As superfícies especulares, tais como águas calmas ou rodovias pavimentadas, aparecem escuras em imagens de radar. As microondas que incidem sobre uma superfície rugosa são espalhadas em várias direções. Este fenômeno é conhecido como reflectância difusa ou distribuída. As superfícies com vegetação causam reflectância difusa e resultam em uma tonalidade mais brilhante em imagens de radar.

40 Reflectância Difusa e Especular Reflexão difusa Reflexão especular Refletor de canto

41 Dispersor 1 Em geral, as cenas observadas por um SAR apresentam dois tipos de superfícies refletoras: dispersores distribuídos e dispersores discretos. Os dispersores discretos caracterizam-se por uma forma geométrica relativamente simples, como um edifício. O elemento clássico utilizado para representar um dispersor discreto é o refletor de canto, um objeto cujo formato é definido quando todos os lados se cruzam em ângulos (quase) retos (tal como a intersecção de uma via pavimentada e um edifício alto).

42 Dispersor 2 Dispersores distribuídos consistem de múltiplas áreas ou superfícies pequenas nas quais a radiação incidente de microondas é espalhada em várias direções diferentes. Espalhamento distribuído ocorre em coberturas florestais ou em áreas agrícolas. O radar mede aquele componente da energia espalhada que volta ao sensor ao longo da mesma trajetória do feixe de ondas incidente.

43 Rugosidade Superficial A rugosidade superficial de uma superfície refletora é determinada relativamente ao comprimento de onda do radar e ao ângulo de incidência. Em geral, uma superfície é considerada lisa se suas variações de altura são consideravelmente inferiores ao comprimento de onda do radar. Dado um comprimento de onda, uma determinada superfície parece mais rugosa à medida que o ângulo de incidência aumenta. Superfícies rugosas normalmente aparecerão mais brilhantes em imagens de radar que superfícies mais lisas, compostas do mesmo material. Em geral, uma superfície rugosa é definida como tendo uma variação de altura ao redor da metade do comprimento de onda do radar.

44 Rugosidade Superficial Modelos de Dispersão da Superfície Onda incidente Padrão de espalhamento Lisa Onda incidente Onda incidente Padrão de espalhamento Padrão de espalhamento Intermediária Rugosa

45 Refletores de Canto Alguns objetos pequenos podem aparecer extremamente brilhantes na imagem de radar, dependendo da configuração geométrica do objeto. A parte lateral de um edifício ou ponte, combinada com a reflexão do solo é um exemplo de um refletor de canto. Quando duas superfícies formam um ângulo reto e estão voltadas para o radar, forma-se um refletor de canto diédrico. O sinal de retorno de um refletor de canto diédrico é intenso apenas quando as superfícies refletoras estão quase perpendiculares à direção da iluminação. As reflexões mais fortes são causadas pelos refletores de canto triédricos que são formados pela intersecção de três superfícies planas mutuamente perpendiculares e voltadas para o radar. Pesquisadores colocam freqüentemente refletores de canto em diversas posições no solo para atuar como pontos de referência nas imagens de radar.

46 Refletores de Canto

47 Espalhamento Volumétrico O espalhamento volumétrico está relacionado com processos de dispersão múltipla em um meio, como a cobertura vegetal de uma plantação de milho ou de uma floresta. Este tipo de espalhamento pode também ocorrer em camadas de solo muito seco, areia ou gelo. O espalhamento volumétrico é importante, pois influencia o retroespalhamento registrado pelo radar. O radar recebe os dois tipos de retroespalhamento, superficial e volumétrico. A intensidade do espalhamento volumétrico depende das propriedades físicas do meio (sobretudo das variações na constante dielétrica) e das características do radar (comprimento de onda, polarização e ângulo de incidência).

48 Reflexões Retroespalhamento do dossel Reflexão solo-tronco Retroespalhamento do solo (Refletor de canto) Reflexão dossel-solo

49 Teor de Umidade A presença de umidade aumenta a constante dielétrica complexa do material. A constante dielétrica influencia a capacidade do material em absorver, refletir e transmitir energia na faixa de microondas. O teor de umidade de um material pode alterar suas propriedades elétricas, afetando o modo como esse material aparece numa imagem de radar. Materiais idênticos podem variar na aparência em momentos ou locais diferentes, de acordo com a quantidade de água que contém. A refletividade, e portanto, o brilho da imagem da maioria da vegetação e superfícies naturais, aumenta com o aumento do seu teor de umidade. As microondas podem penetrar em materiais muito secos, como a areia do deserto. O espalhamento resultante é afetado tanto pelas propriedades superficiais como pelas sub-superficiais. Em geral, quanto maior o comprimento de onda do radar, maior é a penetração da energia no material.

50 Comparação de SARs Orbitais e Aerotransportados Vantagens de SARs orbitais Maior cobertura por segundo (Km2/s) Custos operacionais mais baixos ($/Km2) Não depende das condições de vôo ou da proximidade de aeroportos Campos de visadas mais amplos Processamento de sinal mais simples (sem compensação de movimento) Desvantagens Projeto, construção e lançamento mais dispendiosos Maior dificuldade na obtenção de polarizações e freqüências múltiplas Impossibilidade de deslocar o sistema e adquirir imagens sob encomenda Resolução geralmente inferior

51 Comparação das Geometrias de Imageamento SAR orbital SAR aerotransportado aerotransportado km SAR orbital 25 >500 km FAIXA DE IMAGEAMENTO

52 Escolha da Faixa de Imageamento Limitada por ambigüidades do alcance e capacidade de armazenamento de dados É uma solução de compromisso entre a resolução em azimute, número de visadas e capacidade de processamento. Para satélites: tipicamente km Para aviões: tipicamente km RADARSAT consegue faixas mais largas por feixe de radar reduzindo a resolução e usando cuidadosamente o peso da antena para controlar as ambigüidades do alcance RADARSAT e o futuro Envisat utilizam ScanSAR para obterem varreduras extra-largas

53 RADARSAT-1

54 Modos de Imageamento do RADARSAT-1 SAR Estendido baixo Rastreio terrestre do satélite Largo ScanSAR Estendido alto Fino Standard