Notas de Aula de Fotogrametria III Imagens SAR Synthetic Aperture RADAR: princípios e técnicas de processamento. Presidente Prudente 2018

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1 UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA "JÚLIO DE MESQUITA FILHO Faculdade de Ciências e Tecnologia Notas de Aula de Fotogrametria III Imagens SAR Synthetic Aperture RADAR: princípios e técnicas de processamento Autor: Prof. Mauricio Galo Departamento de Cartografia Presidente Prudente 2018 Classificação de sensores, utilizados em algumas áreas Classificação dos sensores. Fonte: Short (2010). Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 1

2 Classificação de sensores, utilizados em algumas áreas Dentre os sistemas ativos, alguns destes sistemas, como RADAR, LIDAR e SONAR são usados em Fotogrametria, Sensoriamento Remoto e áreas correlatas. LIDAR - Light Detection and Ranging, que se baseia na emissão de pulsos LASER - Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Podem ser tanto aéreos quanto terrestres; RADAR - Radio Detection and Ranging; SONAR Sound Navigation and Ranging. LIDAR Normalmente utilizam a luz LASER no infravermelho, na região de 1040 a 1060 nm (JENSEN, 2009). Alguns sistemas usados em batimetria operam na região verde do espectro eletromagnético. SONAR, os sistemas mais comuns são os de feixe único, múltiplos feixes e de varredura lateral. É grande o intervalo de operação destes sistemas, variando de dezenas a centenas de khz (50 khz, 120 khz, 300 khz, etc). Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 2 Introdução aos sistemas de imageamento no microondas Nos sistemas baseados em RADAR, acrônimo de Radio Detection and Ranging, o próprio sensor provê a emissão de energia aos alvos, sendo parte da energia retornada ao sensor (na forma de eco). Princípio do RADAR. Fonte: CCRS/NRC (2008). Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 3

3 Aspecto Histórico Conforme destaca Jensen (2009), em 1922 os cientistas H. Taylor e L. C. Young utilizaram um transmissor de rádio e um receptor em lados opostos de um rio nos EUA e verificaram que ao passar navios, entre o transmissor e o receptor, o sinal transmitido era interrompido. Neste experimento foram usadas ondas de rádio de comprimento λ=1 m a λ=10 m, sendo este experimento um dos primeiros a indicar a possibilidade de realizar medidas de distâncias entre o emissor e embarcações, sendo esta informação essencial em navegação. Em função das possibilidades de aplicação deste princípio, este experimento chamou a atenção dos militares e o nome dado ao processo foi RADAR, como acrônimo de Radio Detection and Ranging. Embora o intervalo de radiação usado atualmente na maioria das aplicações não seja o de ondas de rádio, mas sim o de microondas, o termo original foi mantido. Mais detalhes podem ser vistos em Jensen (2009). Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 4 Introdução aos sistemas de imageamento no microondas Algumas características gerais dos sistemas de RADAR: Os sistemas de RADAR operam na região do microondas; Em função do próprio sistema emitir a energia, por meio de uma onda eletromagnética, eles podem operar independente da luz do Sol, diferente da maior parte dos sensores de imageamento, podendo operar durante o dia ou a noite; Em função da operação na região do microondas, que possui comprimento de ondas (λ) maior que no intervalo do espectro visível, o sinal do microondas tem uma maior penetração em nuvens e em algumas partículas da atmosfera, o que permite a sua operação inclusive em dias nublados. Estas características tornam os sistemas de RADAR interessantes em diversas aplicações. Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 5

4 Introdução aos sistemas de imageamento no microondas Como pode-se ver (figura abaixo), uma vez que o sinal de RADAR atinge o alvo ele sofre um espalhamento (scatter) em diferentes direções, sendo que a parte do sinal que retorna ao sensor é registrada pelo RADAR. Esta parte do sinal que retorna é denominada porção retroespalhada (backscatter). Deste modo, a amplitude do sinal retroespalhado recebido pelo sensor determina o valor de brilho e o tempo de propagação entre a emissão e o retorno permite estimar a distância entre o sensor e o alvo. Sinal de RADAR emitido (Esq.) e sinal retroespalhado (Dir.) pelo alvo. Fonte: Mikhail et al (2001). Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 6 Introdução aos sistemas de imageamento no microondas Geometria de um sistema de RADAR aerotransportado. Fonte: CCRS/NRC (2008). Nesta figura alguns elementos importantes podem ser vistos: a altitude de voo, a direção em azimute (direção da trajetória), o ângulo de incidência, o alcance no terreno (ground-range) e inclinado (slant-range), dente outros. Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 7

5 Componentes gerais de um sistema de RADAR Componentes de um sistema de RADAR aerotransportado de visada lateral (SLAR Side-Looking Airborne Radar). Fonte: Jensen (2009). Duplexer: Dispositivo eletrônico que permite a comunicação bidirecional por intermédio de uma única antena. Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 8 Comprimento de onda e frequência Fonte: CCRS/NRC (2008) Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 9

6 Comprimento de onda e frequência Pode-se notar que o intervalo correspondente ao microondas possui λ maior (e consequentemente menor frequência) que as ondas na região visível do espectro. Lembrando da equação da energia de um fóton (E): Ehf c h onde h é a Constante de Planck (6,626x10-34 J.s), f é a frequência, c é a velocidade da luz. Pode-se notar que quanto menor a frequência, menor a energia. Comprimento de onda, frequência e energia. Fonte: Short (2010). Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 10 Comprimento de onda e frequência Comprimentos de onda e frequências mais comuns em sistemas de RADAR utilizados em Sensoriamento Remoto. Banda Comprimento de onda, λ (cm) Frequência, f (GHz) Ka 0,75 1,18 40,0 26,5 K 1,19 1,67 25,5-18,0 Ku 1,67 2,4 18,0-12,5 X 2,4 3,8 12,5 8,0 C 3,9 7,5 8,0 4,0 S 7,5 15,0 4,0 2,0 L 15,0 30,0 2,0 1,0 P 30,0 100,0 1,0 0,3 Fonte: Jensen (2009). Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 11

7 Geometria de um sistema de RADAR Geometria de um sistema de RADAR aerotransportado. Fonte: Esta figura é semelhante a anterior, mostrando além do alcance próximo e distante, o alcance médio, bem como o ângulo de visada. Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 12 Fatores que afetam a reflectividade do sinal de RADAR A intensidade do sinal retroespalhado depende de diferentes fatores, como por exemplo: O ângulo de incidência (ângulo entre a normal ao ponto de incidência e a direção de incidência da onda de RADAR). A rigor este ângulo é função tanto da Geometria quanto a Topografia da região. Rugosidade da superfície; Constante dielétrica. Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 13

8 Geometria e topografia Ângulo de incidência. a) b) Ângulo de incidência (para uma superfície sem inclinação) e ângulo de incidência local para uma superfície inclinada. Fonte: CCRS/NRC (2008) Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 14 Efeito dos diferentes ângulos de incidência local nas imagens de RADAR. Fonte: CCRS/NRC (2008). Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 15

9 Rugosidade da superfície Outro elemento importante na intensidade do sinal retroespalhado é a rugosidade, sendo o retroespalhamento diretamente proporcional à rugosidade da superfície. A rugosidade é função da cobertura da terra e variações da rugosidade, da ordem de grandeza de centímetros são importantes, dependendo do comprimento de onda λ do RADAR utilizado (tabela abaixo). Banda λ (cm) X 2,4 3,8 C 3,9 7,5 S 7,5 15,0 L 15,0 30,0 P 30,0 100,0 Em função do valor do comprimento de onda λ de cada uma dessas bandas, pequenas flutuações na rugosidade afetam mais o sinal da banda X do que a banda L, como pode-se ver em Mikhail et al (2001, p. 304). Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 16 As superfícies com este comportamento terão uma reflexão praticamente especular e isso justifica, por exemplo, a aparência normalmente escura de corpos d agua em imagens de RADAR. Segue, baseado em Mikhail et al (2001), os diferentes graus de rugosidade do terreno considerando a variação da altura do terreno (Δh) em função do valor do comprimento de onda (λ) do sinal de RADAR: Rugosidade / Reflexão Típica Intervalo de λ Superfície suave / Reflexão especular Δh < λ/8 Rugosidade moderada/ Retroespalhamento moderado λ/8 Δh < λ/2 Rugosa / Retroespalhamento forte λ/2 Δh Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 17

10 Na realidade, são diferentes os critérios que podem ser usados para que se considere uma superfície lisa, ou não, em termos eletromagnéticos. De acordo com CCRS/NRC (2008), o critério de Rayleigh e Fraunhofer são dois desses critérios, que considera a superfície LISA nas seguintes situações: onde: Critério de Rayleigh Critério de Fraunhofer 8 cos, p/ 32 cos σ Desvio padrão da altura; θ Ângulo de incidência. Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 18 Critério de Rayleigh Modificado De acordo com Jensen (2009) o grau de rugosidade da superfície pode ser quantificado como lisa, intermediária e rugosa, usando o critério de Raileigh modificado, que pode ser expresso por: Superfície lisa: Superfície intermediária: Superfície rugosa: onde é o ângulo de depressão. h 25sen h 25 sen h 4,4sen 4,4sen Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 19

11 Retroespalhamento de uma onda de λ=3 cm para superfícies com diferentes graus de rugosidade. Fonte: Jensen (2009). Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 20 Constante Dielétrica Um RADAR envia um pulso de energia que interage com a superfície atingida. Em função do tipo de alvo (vegetação, água, solo, rocha, gelo, etc) a condução da energia e da eletricidade difere de alvo para alvo e, como consequência, a resposta pode ser diferente. Uma medida das características elétricas dos materiais pode ser feita por meio da Constante Dielétrica (K), que mede a capacidade de um material em conduzir a energia elétrica. Valores típicos da Constante Dielétrica. Fonte: Jensen (2009). Material Constante Dielétrica (K) Solo, rocha e vegetação 3 a 8 Água 80 Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 21

12 A Constante Dielétrica, também denominada Permissividade Relativa (K), é um número adimensional dado pela razão K onde ε é a permissividade dielétrica no meio e ε0 é a permissividade no vácuo (ε0=8,85x10-12 F/m). Permissividade Dielétrica (ε) Medida da capacidade que um material isolante possui de armazenar cargas elétricas. 0 Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 22 De acordo com Jensen (2009) e Mikhail et al (2001) um dos parâmetros que apresentam uma influência mais significativa na Constante Dielétrica é a umidade e, deste modo, a quantidade de umidade tem um impacto significativo na quantidade de energia retroespalhada pelos alvos. Em geral os solos úmidos refletem mais energia de RADAR do que solos secos, que absorvem mais a onda de RADAR, dependendo da constante dielétrica do material que compõe o solo. Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 23

13 Efeitos da Elevação do Terreno nas Imagens de RADAR São basicamente 3 os efeitos geométricos provocados pelo relevo, em imagens de RADAR. Estes efeitos dependem da inclinação do terreno em relação à direção de visada do RADAR. Estes efeitos são: Encurtamento de rampa (foreshortening); Inversão de relevo (layover); Sombra. Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 24 Antes de apresentar estes efeitos, separadamente, é importante recuperar alguns elementos relacionados à geometria das imagens de RADAR. Projeção dos dados de RADAR em slant range. Fonte: LI et al (2005). Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 25

14 Encurtamento de rampa Este efeito se refere à compressão das superfícies inclinadas (voltadas para a direção do feixe emitido pela antena), como por exemplo a face que liga os pontos 1 e 2 na figura abaixo. Efeito de encurtamento de rampa (foreshortening) para a encosta entre 1 e 2. Fonte: Mikhail et al (2001). Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 26 O mesmo efeito pode ser visto na figura abaixo, onde são mostrados outros elementos. Efeito de encurtamento de rampa (foreshortening). Fonte: Jensen (2009). Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 27

15 Inversão do relevo Este efeito também ocorre para superfícies inclinadas, voltadas para a direção da antena, mas com inclinações maiores, na qual o ponto mais elevado é mais próximo da antena que o ponto mais baixo da superfície. Efeito de inversão de relevo (layover) para a encosta entre 1 e 2. Fonte: Mikhail et al (2001). Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 28 O mesmo efeito de inversão de relevo (layover) pode ser visto na figura abaixo, onde são mostrados outros elementos. Efeito de inversão de relevo (layover). Fonte: Jensen (2009). Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 29

16 Sombra O efeito de sombra ocorre nas regiões onde o sinal de RADAR não atinge a superfície, como ocorre entre os pontos B e C da figura abaixo. Efeito de sombra em RADAR, para a encosta BD, que possui declividade maior que o ângulo de depressão ( CB > ). Fonte: Jensen (2009). Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 30 Imagem do satélite TerraSAR-X, Monte Merapi (Indonésia). Fonte: Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 31

17 Mina de cobre, no Chile. Imagem TerraSAR-X, orbita ascendente, ângulo de incidência: 35º, polarização HH. Fonte: Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 32 Mina de cobre, no Chile. Imagem TerraSAR-X, órbita descendente, ângulo de incidência: 31º, polarização HH. Fonte: Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 33

18 Imagem óptica da Mina de Cobre, Chuquicamata, Chile. Fonte: Google Earth. Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 34 Imagem óptica (detalhe) da Mina de Cobre, Chuquicamata, Chile. Fonte: Google Earth. Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 35

19 Visualização em perspectiva da Mina de Cobre Chuquicamata, Chile. Fonte: Google Earth. Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 36 Em (a) e (b) tem-se imagens de RADAR de uma mesma região, mostrando diferentes efeitos de foreshortening, para diferentes ângulos de incidência. Em (c) tem-se uma imagem de RADAR em que é possível ver o efeito de foreshortening, de sombra e a distorção na direção de visada (sland range), para o alvo, mostrado em uma fotografia aérea (d). Fonte: Jensen (2009). Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 37

20 Encurtamento de rampa e inversão do relevo (outra representação) Fonte: CCRS/NRC (2008) Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 38 Equação fundamental do RADAR De acordo com Moore (1983) 1 apud Jensen (2009) a equação fundamental do RADAR, na sua forma mais simples, é função de 4 parcelas: Potência Parcela Re cebida 1Parcela2Parcela3Parcela4 Parcela 1 : Potência por unidade de área transmitida para o alvo Parcela 2 : Área de espalhamento efetivo do alvo Parcela 3 : Perda por espalhamento do sinal retroespalhado Parcela 4 : Área efetiva de recepção da antena 1 MOORE, R. K. Imaging Radar Systems. Manual of Remote Sensing, 2 nd Edition. COLWELL, R. (Edit.) Bethesda: ASP&RS, Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 39

21 Equação fundamental do RADAR Com base nas parcelas descritas a equação do RADAR pode ser escrita por: P r PG A t t r R onde: Pr Potência recebida; Pt Potência transmitida para o alvo; Gt Ganho da antena na direção do alvo; σ Área de retroespalhamento efetiva do alvo; Ar Área da antena receptora; R Distância (range) do transmissor ao alvo. Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 40 Equação fundamental do RADAR Pode-se observar que a Equação do RADAR é o produto dos parâmetros do sistema e de outros da superfície que produzem o retroespalhamento na seção transversal σ. Como mencionado por Jensen (2009) são os efeitos do terreno sobre o RADAR o que mais nos interessa, ou seja, a quantidade de energia refletida pela seção transversal σ por unidade de área (A) do terreno. Este termo é denominado coeficiente de retroespalhamento do RADAR (σ 0 ), podendo ser calculado por: A. 0 Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 41

22 O valor de σ 0 determina a porcentagem de energia eletromagnética refletida por uma célula de resolução, sendo que o valor de σ 0 depende de diversos fatores, como: geometria, rugosidade superficial, umidade, e parâmetros do sistema (λ, ângulo de depressão, polarização) (JENSEN, 2009). A equação fundamental do RADAR, apresentada anteriormente, pode ser modificada a partir da consideração que a área efetiva de abertura da antena pode ser relacionada com o ganho da antena (G) e o comprimento de onda (λ) do sinal de RADAR. Deste modo a Equação Fundamental pode ser reescrita por: P r P. t 0.A G 2. 2 P. 2 h 2 v 3 4 t R 4R onde A é a seção transversal de uma área no terreno, lh e lv são, respectivamente as dimensões horizontal e vertical da antena, como pode ser visto em Mikhail et al (2001) e Jensen (2009), por exemplo. 0.A l.l, Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 42 Resolução em slant range, ground range e em azimute Um aspecto importante relacionado aos sistemas de RADAR de visada lateral ser refere à estimativa da resolução, nos componentes do alcance e em azimute (MIKHAIL et al, 2001; JENSEN, 2009). Resolução em slant range (Rsr): Resolução em ground range (Rgr): Resolução em azimute (Ra): R sr R gr R a c 2 c 2cos S L onde: c Velocidade de propagação da luz; τ Tempo de duração de um pulso; - Ângulo de depressão; S Distância slant range; λ Comprimento de onda do sistema de RADAR e L - Tamanho da antena. Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 43

23 Resolução em slant range, ground range e em azimute A partir da equação da resolução em ground range (R gr ), repetida abaixo: c 2cos R gr, pode-se notar que a medida que o angulo de depressão aumenta (figura ao lado) o denominador da equação se aproxima de zero e o valor de R gr aumenta. Este comportamento indica ser indesejável considerar visadas verticais para sistemas de RADAR uma vez que nesta situação R gr tente ao infinito. Fonte: Mikhail et al (2001). Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 44 Polarização A polarização é outro elemento importante em sistemas de imageamento por RADAR. A polarização refere-se ao modo como a energia vibra. A energia não polarizada, como menciona Jensen (2009), vibra em todas as direções possíveis, perpendiculares à direção de propagação. As antenas de RADAR enviam e recebem energia polarizada, o que significa que o pulso de energia é filtrado, de modo que as vibrações ocorram de modo específico, sendo usualmente feita a polarização horizontal e vertical. Nas próximas figuras são mostradas duas situações onde se tem a polarização vertical no envio do sinal e no retorno do sinal (configuração VV) e outra onde são aplicados filtros horizontais na emissão e no retorno do sinal (configuração HH). Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 45

24 Polarização VV: Antena (a) envia sinal polarizado na direção vertical. Esta energia incide nos alvos, sendo parte do sinal retroespalhado. O filtro vertical na antena permite que apenas a energia retroespalhada verticalmente pelos alvos seja registrada (b). Fonte: Jensen (2009). Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 46 Polarização HH: Antena (c) envia sinal polarizado na direção horizontal. Esta energia incide nos alvos, sendo parte do sinal retroespalhado. O filtro horizontal na antena permite que apenas a energia retroespalhada horizontalmente pelos alvos seja registrada (d). Fonte: Jensen (2009). Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 47

25 Além das polarizações HH e VV tem-se as polarizações cruzadas HV e VH, que também podem ser usadas em sistemas de RADAR. Na próxima figura são mostradas 3 imagens de uma mesma região, adquiridas nas polarizações HV, HH e VV, bem como uma composição colorida destas 3 imagens, podendo-se notar algumas diferenças entre as culturas, dependendo da polarização considerada. Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 48 Imagens adquiridas com as polarizações HV, HH e VV, bem como a composição colorida. Fonte: CCRS/NRC (2008) Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 49

26 Deslocamento devido ao relevo Do mesmo modo que o deslocamento devido ao relevo afeta as imagens ópticas, o mesmo ocorre em imagens de RADAR, como ilustra a figura abaixo. Deslocamento d entre a posição ortográfica do topo da montanha de altura (h) e a projeção na superfície de referência, para o ângulo de visada (θ). tan90 d c d h htan90 Fonte: CCRS/NRC (2008) Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 50 Ruído Speckle O speckle é um ruído de padrão granulado presente em imagens de RADAR, devido à natureza coerente das microondas, que causa uma interferência construtiva e destrutiva de aparência aleatória, o que resulta em áreas claras e escuras, respectivamente, na imagem. Ilustração das interferências construtiva e destrutiva. Fonte: CCRS/NRC (2008). Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 51

27 Efeito da interferência construtiva e destrutiva - Ruído Speckle Fonte: CCRS/NRC (2008). Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 52 Efeito da interferência construtiva e destrutiva - Ruído Speckle Na figura abaixo é mostrado o processo de combinação do sinal retroespalhado por cada um dos vetores dentro de uma célula k. Distribuição dos vetores complexos 2 na célula k (Esq.), vetores transladados para uma mesma origem (Centro) e vetor resultante da soma, indicado na cor vermelha (Dir.). Adaptado de Hanssen (2001). 2 Em Hanssen (2001) o autor usa o termo phasor para cada um dos vetores complexos. Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 53

28 Filtros normalmente usados para minimizar o efeito do ruído Speckle São diversos os filtros que podem ser usados para a redução do speckle, podendo ser Adaptativos e Não adaptativos. Os adaptativos consideram variações locais no retroespalhamento e os não adaptativos consideram os mesmos parâmetros em toda a imagem. Exemplos de filtro: Média, Mediana, Moda, Frost, Map Gama, Lee, etc. Exemplo de aplicação do filtro da mediana e da média. Fonte: CCRS/NRC (2008) Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 54 Radar de Abertura Sintética SAR Os sistemas SAR são sistemas de imageamento baseados nas microondas, desenvolvidos com o propósito de melhorar a resolução dos radares de abertura real. Em um sistema de RADAR de abertura real o tamanho da antena (L) é inversamente proporcional à largura angular do feixe de RADAR que atinge o terreno (JENSEN, 2009), como pode-se ver na equação abaixo que relaciona o tamanho da antena (L), o comprimento de onda, e a distância slant range (S) até o alvo e a resolução em azimute (Ra): R a S L Portanto, uma maneira de melhorar a resolução em azimute, para um sistema de RADAR de abertura real é aumentar a antena. Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 55

29 Radar de Abertura Sintética SAR Nos sistemas SAR, utiliza-se também uma pequena antena, mas que envia um feixe de maior abertura, perpendicularmente à trajetória, sendo a principal diferença, conforme Jensen (2009), no maior número de pulsos enviados em direção ao objeto. A partir disso considera-se o princípio do Efeito Doppler na recepção dos pulsos recebidos pela antena, permitindo melhorar a resolução em azimute. Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 56 Radar de Abertura Sintética SAR Princípio do RADAR de abertura sintética (SAR Synthetic Aperture RADAR) para uma antena sintética de comprimento L, operado por uma antena de abertura real D. Fonte: Sabins (1997) 3 apud Jensen (2009). 3 SABINS, F. F. Remote Sensing: Principles and Interpretation. 3 nd Edition. New York: Freeman, p. Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 57

30 Na parte superior pode-se ver uma imagem do Rio Nilo, adquirida a partir do Ônibus Espacial Endeavor em 1994 e na parte inferior uma composição colorida* de imagens de RADAR obtidas pelo sistema SAR do SIR (Spaceborne Imaging Radar C/X) da mesma plataforma. Fonte: Jensen (2009). * Composição colorida: Banda C (polarização HV); L (pol. HV) e L (pol. HH). Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 58 Tipos de Espalhamento e Interação com a Vegetação Como mencionado anteriormente, o retroespalhamento depende do comprimento de onda do sinal de RADAR bem como das características do alvo. De acordo com Jensen (2009) quanto maior o comprimento de onda, maior é a penetração no dossel das plantas. Na figura seguinte é mostrada uma hipotética floresta de pinheiros, onde podem ser vistos dois tipos de espalhamento: Espalhamento superficial: ocorre no topo do dossel, onde a energia interage com as folhas e os galhos. Este espalhamento pode ocorrer novamente na superfície do solo. Espalhamento volumétrico: ocorre em todo o corpo da árvore, ocorrendo nas folhas, galhos, ramos e troncos. Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 59

31 Espalhamento superficial e volumétrico do sinal de microondas, que podem ocorrer em uma floresta de pinheiros. Fonte: Carver (1988) 4 apud Jensen (2009). 4 CARVER, K. R. SAR Synthetic Aperture Radar Earth Observing System. Vol. IIf. Washington: NASA Instruments Report, p. Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 60 Tipos de Espalhamento e Interação com a Vegetação Banda X Banda P Penetração das microondas em função da frequência, para as bandas X e P. Fonte: Moreira et al (2001). Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 61

32 Tipos de Espalhamento e Interação com a Vegetação Comportamento típico do sinal de microondas, para diferentes bandas (X, C e L), em uma floresta de pinheiros. Pode-se notar que quanto maior o valor de λ maior é a penetração e o espalhamento volumétrico. Fonte: Jensen (2009). Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 62 Técnicas usadas no processamento de imagens de RADAR Segundo Leberl (1990) 5 apud Meric et al (2009) Radargrametria é a tecnologia de extração de informações geométricas a partir de imagens de RADAR. Quatro diferentes técnicas podem ser consideradas: - Estereoscopia; - Clinometria; - Interferometria e - Polarimetria. 5 LEBERL, F. Radargrammetric image processing. Norwood: Artech House, Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 63

33 Interferometria SAR Em 1974 Grahan 6 apud Li et al (2005) introduziu a idéia de que um par de imagens SAR adquiridas de uma mesma área a partir de posições diferentes, pode ser usado para formar um interferograma e a diferença de fase armazenadas no interferograma pode ser usada para a geração de um Modelo Digital de Superfície da área imageada. Esta técnica é conhecida por Interferometria SAR ou InSAR. Para a aquisição de imagens para aplicação da técnica InSAR pode-se considerar as seguintes situações: Duas imagens, adquiridas em duas passagens, em épocas diferentes ou Uma passagem em que duas imagens são adquiridas, por exemplo, em um sistema com duas antenas, como por exemplo o que ocorreu com o SRTM Shuttle Radar Topography Mission. 6 GRAHAM, L. C. Synthetic interferometer RADAR for topographic mapping. Proceedings of the IEEE, 62 (2): Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 64 Interferometria SAR (continuação) Na figura abaixo é mostrado um sistema de aquisição de imagens SAR a partir de uma plataforma aerotransportada, com seus diversos componentes, como pode-se ver em Mura (2000). Figura ilustrado o processo de aquisição de dados por uma plataforma aerotransportada, visando o processamento pela técnica InSAR. Fonte: Mura (2000). Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 65

34 Interferometria SAR (continuação) Um fator importante neste método é a magnitude da coerência entre as imagens usadas. De acordo com CCRS/NRC (2008) os seguintes intervalos podem ser considerados: 0,3 0,5 É utilizável, mas é ruidosa; 0,5 0,7 É boa; 0,7 1,0 É excelente. A estimativa da coerência é feita por meio do coeficiente de correlação complexo, que pode ser obtido por: * y1.y2 2 2 y. y, 1 onde y1 e y2 são as imagens complexas e <<.>> indica um operador de média espacial (MURA, 2001). 2 Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 66 Princípios da Interferometria SAR Geometria básica do processo de Interferometria SAR (InSAR). Fonte: Mura (2001). Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 67

35 Princípios da Interferometria SAR (continuação) A partir dos triângulos pode-se escrever: Deste modo pode-se escrever: cos cos90sin A partir desta figura e destas considerações pode-se escrever (pela lei dos cosenos aplicada ao triângulo PA2A1): rr r B 2rBsen r Após isolar r da equação obtêm-se: 2rBsen B 2 r Pela mesma figura pode-se escrever z do ponto P por: z H,r, Hrcos 2 Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 68 Princípios da Interferometria SAR (continuação) Na equação anterior o valor de z do ponto P foi escrito em função de H (altitude), da distância A1P (r), e do ângulo θ. A partir da geometria descrita, como pode-se ver em Mura (2001), Mikhail et al (2001) e Li et al (2002), é possível relacionar o valor de z do ponto P em função da diferença de fase observada pelas duas passagens: 1 4r rr 2 onde, r e r+δr são as distâncias entre sensor e alvo, e 1 e 2 correspondem às contribuições do espalhamento das fases em cada uma das imagens, atraso atmosférico e ruídos, como pode-se ver em Rebelo (2007). Para o desenvolvimento completo destas equações, as referências acima citadas são sugeridas. Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 69

36 Princípios da Interferometria SAR (continuação) Considerando nas equações anteriores que 1 e 2 são próximos, e portanto ao fazer a diferença eles praticamente se anulam, pode-se calcular a diferença de fase por: 2 1 4rr 2 4r 4 1 r r 4 Deste modo, por esta equação pode-se perceber que Δr pode ser estimado a partir da diferença de fase. Assim, tanto r quanto z(.), como pode-se ver nas equações abaixo, também poderão ser estimados em função da diferença de fase. 2 2 B r r 2 rbsen z H,r, Hrcos Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 70 Princípios da Interferometria SAR (continuação) Com base nestes fundamentos pode-se apresentar o fluxograma com as etapas do processamento de dados interferométricos. Etapas do processamento interferométrico. Fonte: Zaloti Jr (2007) e Mura (2000). Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 71

37 Princípios da Interferometria SAR (continuação) Princípio da Interferometria por RADAR (InSAR). Fonte: Li et al (2002). Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 72 Princípios da Interferometria SAR (continuação) A esquerda é mostrado um interferograma. Uma vez que o interferograma apresenta valores no intervalo [0, 2π], deve-se fazer uma conversão para a fase absoluta, por meio do desdobramento da fase (phase unwrapping), de modo a obter a fase absoluta. Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 73

38 Interferograma obtido a partir de imagens do SIR C/X, da região do Deserto de Mojave, Califórnia, para as bandas L e C. Pode-se notar o maior detalhamento do interferograma obtido a partir da banda C, que possui menor comprimento de onda que a banda L. Fonte: Jensen (2009). Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 74 Radargrametria De modo similar ao que é feito em Fotogrametria, em Radargrametria também se forma um par de imagens. A diferença é que em Radargrametria duas imagens SAR são obtidas a partir de duas passagens, sendo usada apenas a informação de intensidade, diferente do que ocorre na técnica InSAR, onde a diferença de fase é utilizada. Em síntese, como pode-se ver em Li et al (2005), os seguintes aspectos devem ser considerados: Determinação do estéreo modelo, com base no par de imagens; Uso de técnicas de matching de imagens para a seleção de pixels correspondentes nas duas imagens; Determinação das coordenadas 3D pela solução do problema de intersecção. Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 75

39 Radargrametria Equações que podem ser utilizadas na solução Equações de distância: r r r PS1 R1 R1 r r r PS R R Equações Doppler: r r r V1 PS1 r r r V PS Princípio da Radargrametria. Fonte: LI et al (2005). 2 2 Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 76 Principais Sistemas de RADAR Na sequência serão apresentados os principais sistemas de RADAR em uso, sendo esta seção elaborada com base na coleta e na pesquisa realizada e apresentada em PARADELLA, GAMA, SILVA, OLIVEIRA e MARINHO (2011). Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 77

40 Principais Sistemas de RADAR Fonte: Paradella et al (2011). Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 78 Principais Sistemas de RADAR Fonte: Paradella et al (2011). Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 79

41 Principais Sistemas de RADAR Fonte: Paradella et al (2011). Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 80 Principais Sistemas de RADAR Fonte: Paradella et al (2011). Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 81

42 Principais Sistemas de RADAR Fonte: Paradella et al (2011). Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 82 Principais Sistemas de RADAR Fonte: Paradella et al (2011). Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 83

43 Principais Sistemas de RADAR Fonte: Paradella et al (2011). Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 84 Principais Sistemas de RADAR Fonte: Paradella et al (2011). Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 85

44 Principais Sistemas de RADAR Fonte: Paradella et al (2011). Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 86 Principais Sistemas de RADAR Fonte: Paradella et al (2011). Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 87

45 Principais Sistemas de RADAR Fonte: Paradella et al (2011). Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 88 Principais Sistemas de RADAR Fonte: Paradella et al (2011). Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 89

46 Principais Sistemas de RADAR Fonte: Paradella et al (2011). Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 90 Principais Sistemas de RADAR Fonte: Paradella et al (2011). Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 91

47 Principais Sistemas de RADAR Fonte: Paradella et al (2011). Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 92 Referências Bibliográficas CCRS/NRS CanadaCentrefor RemoteSensing / Natural Resources Canada. Tutorial: Radar Remote Sensing Disponívelem: < Acesso emabril HANSSEN, R. F. Radar Interferometry Data Interpretation and Error Analysis. Dordrecht: Kluber Academic Publishers, p. ISBN: ; JENSEN, J. R. Sensoriamento Remoto do Ambiente: uma perspectiva em recursos terrestres. EPIPHANIO, J. C. N.; FORMAGGIO, A. R; SANTOS, A. R.; RUDORFF, B. F. T.; ALMEIDA, C. M.; GALVÃO, L. S. (Tradução). São José dos Campos: Editora Parêntese p. ISBN: LI, X.; BAKER, A. B.; HUTT., T. Accuracy of airborne IFSAR mapping. In: Proceedings of the XXII FIG International Congress, ACSM/ASPRS Annual Conference, April 9-26, Washington, DC, USA LI, Z.; ZHU, Q.; GOLD, C. Digital Terrain Modeling Principles and Methodology. Boca Raton: CRC Press, p. ISBN: MERCER, B. DEMs created from airborne IFSAR an update. In.: International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing, Vol. XXXV, Part B, Istanbul, Turkey. MERIC, S.; FAYARD, F.; ERIC, P. Radargrammetric SAR Image Processing, Geoscience and Remote Sensing, Pei-Gee Peter Ho (Ed.), ISBN: , InTech, Available from: Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 93

48 MIKHAIL, E. M.; BETHEL, J.; McGLONE, J. C. Introduction to modern photogrammetry. New York: John Wiley & Sons Inc., p. ISBN MOREIRA, J.; SCHWABISCH, M.; WIMMER, C.; ROMBACH, W.; MURA, J. Surface and ground topography determination in tropical rainforest areas using Airbone Interferometric SAR. In.: Photogrammetric Week, Stuttgart MURA, J. C. Geocodificação automática de imagens de radar de abertura sintética interferométrico: Sistema Geo-InSAR p. Tese (Doutorado) Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, São José dos Campos PARADELLA, W. R.; GAMA, F. F.; SILVA, A. de Q. da; OLIVEIRA, C. G. de; MARINHO, R. R. Radar Imageador: Princípios e Aplicações Geoambientais. XV SBSR Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto, Curitiba, 30/Abril 01/Maio, Curso ministrado no XV SBSR. POLIDORI, L. Cartographie RADAR. France: Gordon and Breach Science, REBELO, C. R. Aplicação do InSAR na geração de modelos digitais do terreno p., Dissertação (Mestrado) Curso de Engenharia Geográfica e Geoinformática, Departamento de Matemática, Universidade de Lisboa, Lisboa, SHORT, N. M. Remote Sensing Tutorial (RST). Disponível em: < Acesso em Março ZALOTI JR, O. D. Avaliação do modelo digital de terreno extraído de dados SAR interferométricos na banda X do SAR R-99B. Dissertação (Mestrado) Curso de Pós-Graduação em Sensoriamento Remoto, Instituto Nacional de Estudos Espaciais - INPE, São José dos Campos, Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 94 Número Complexo Apêndice I Definição: Dado um par ordenado (a,b), com a,b R, o número complexo z C é um número que pode ser escrito na forma: onde: z = a + b.i a - Parte real de z; b - Parte imaginária de z; e i - Unidade imaginária (i 2 =-1 ou i 1) Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 95

49 Número Complexo Forma polar Representação de um número complexo z na forma polar z r.e i onde: r Módulo de z; θ Ângulo de fase. z 2 2 r a b arctanb a Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 96 Plano Complexo (Diagrama de Argand-Gauss, Diagrama de Argand, Plano de Argand-Gauss, Plano de Gauss) i (a,b) b r. sin r θ O a r. cos Real Fórmula de Euler: Complexo conjugado de z (z*): e i cosi.sin z* = a - b.i Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 97

50 Apêndice II Refletor de canto e aparência do refletor na imagem SAR Na Figura II-1 é possível ver a imagem de um refletor de canto e como ele aparece em uma imagem SAR. a) b) Figura II-1 Refletor de canto (a) e como aparece um refletor de canto em uma imagem SAR (b). Fonte: Mura (2000). Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 98 Geração do Interferograma Apêndice III Conforme descrito por Hanssen (2001, p. 36) as imagens SAR são imagens em que os valores armazenados são complexos (a, b) onde a e b são respectivamente a parte real e imaginária de um número na forma z=a + bi. As imagens SAR apresentam valores complexos que podem ser decompostos em componentes de fase (Φ) e amplitude (ρ), na seguinte forma: y e i ye i. Considerando as imagens 1 e 2, correspondentes aos sensores 1 e 2, y1 e y2, respectivamente tem-se: y y i 1 y1 e i 2 y2 e 1 2 Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 99

51 Segundo Hanssen (2001), a imagem interferométrica (interferograma) é então gerada pela multiplicação dos pixels homólogos das imagens SAR, de acordo com o seguinte produto: I y 1 y 2 y 1 y 2 e i( ) y 1 y 2 e i( 2 ) 1 onde, 1 2 corresponde à diferença de fase. Notas de Aula de Fotogrametria / 2018 / Dep. de Cartografia / Prof. Mauricio Galo 100