PROCESSAMENTO DIGITAL DE IMAGENS (SERP11) CONCEITOS BÁSICOS DE SR REPRESENTAÇÃO DAS IMAGENS DIGITAIS CALIBRÃÇÃO RADIOMÉTRICA. Daniel C.

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1 PROCESSAMENTO DIGITAL DE IMAGENS (SERP11) CONCEITOS BÁSICOS DE SR REPRESENTAÇÃO DAS IMAGENS DIGITAIS CALIBRÃÇÃO RADIOMÉTRICA Daniel C. Zanotta

2 PROCESSAMENTO DIGITAL DE IMAGENS (SERP11) Co-fundador do CEPSRM-UFRGS Precursor do Sensoriamento Remoto no Brasil Professor das disciplinas de PDI e RP do PPGSR-UFRGS Prof. Vitor F. A. Haertel

3 PROCESSAMENTO DIGITAL DE IMAGENS (SERP11) Daniel C. Zanotta Graduação em Física Licenciatura e Bacharelado (FURG-2007) Mestrado em Sensoriamento Remoto (UFRGS-2010) Doutorado em Sensoriamento Rremoto (INPE-2014) Professor do curso de Geoprocessameto do IFRS-RG desde 2011 (PDI e SR) Interesses de pesquisa em ferramentas para análise de imagens e técnicas de reconhecimento de padrões

4 PÁGINA DA DISCIPLINA: academico.riogrande.ifrs.edu.br/~daniel.zanotta

5 O que é Sensoriamento Remoto? Arte e ciência da obtenção de informações sobre um objeto, através de radiação eletromagnética, sem contato físico direto com este. É a tecnologia científica que pode ser usada para medir e monitorar importantes características biofísicas e atividades humanas (JENSEN, 2000).

6 BIBLIOGRAFIA

7 QuickBird IKONOS SISTEMAS DE AQUISIÇÃO DE IMAGENS Geoeye 4 Spot-5 EROS ORBVIEW-3 Landsat-5 Landsat-7 Landsat-8 EOS-AQUA/TERRA ENVISAT JERS-1 CBERS-4 ERS-1 IRS

8 COLOCAÇÃO DE SATÉLITES EM ÓRBITA

9 SENSOR ÓPTICO (PASSIVO): CAPTA A RADIAÇÃO SOLAR REFLETIDA PELA SUPERFÍCIE TERRESTRE

10 RADAR (ATIVO): PRODUZ, EMITE E CAPTA A RADIAÇÃO

11 FASES DA AQUISIÇÃO DE UMA CENA

12 Intensidade (W/m 2 ) RADIAÇÃO SOLAR: INTENSIDADES ESPECTRAIS Radiação do corpo negro Comprimento de onda (m)

13 ESTRUTURA DAS IMAGENS MULTIESPECTRAIS Matriz-Imagem Exemplo Landsat: Banda 1 Banda 2 Banda 3 Banda 4 Banda 5 Banda 7?

14 ORGANIZAÇÃO DE UMA IMAGEM DIGITAL: Intervalo de variação de uma imagem 8 bits: (256 níveis de cinza NC, CD, ND) 0 - Preto Branco (1,1) Colunas (X) Linhas (Y) (nºlin, nº col)

15 FUNCIONAMENTO DO OLHO HUMANO:

16 Formação das imagens multiespectrais: Imagem Preto e Branco (NC) Imagem colorida (RGB) Fotografia da orla da cidade de Rio Grande, Lagoa dos Patos, RS. Composição colorida utilizando três bandas nos comprimentos de onda do visível.

17 Interpretação Visual das diversas cores:

18 Funcionamento dos Sensores Remotos:

19 Funcionamento dos Sensores Remotos:? Experimento de Herschel?

20 Divisão do Espectro EM:

21 Posicionamento das Bandas Bandas do TM-Landsat-5

22 Por que utilizar composições coloridas? 64 64

23 O que define uma composição de bandas? Originalmente, as imagens de satélites são obtidas em preto e branco. Porém, o olho humano é mais sensível a cores que aos tons de cinza. As cores que podemos ver são fruto da reflexão seletiva dos alvos existentes na superfície terrestre, nas distintas bandas do espectro eletromagnético. Imagem LANDSAT-TM da cidade de Porto Alegre, lago Guaíba e parte da laguna dos Patos, RS.Composição colorida utilizando três bandas nos comprimentos de onda do visível.

24 O que define uma composição de bandas? Originalmente, as imagens de satélites são obtidas em preto e branco. Porém, o olho humano é mais sensível a cores que aos tons de cinza. As cores que podemos ver são fruto da reflexão seletiva dos alvos existentes na superfície terrestre, nas distintas bandas do espectro eletromagnético. Imagem LANDSAT-TM da cidade de Porto Alegre, lago Guaíba e parte da laguna dos Patos, RS.Composição colorida utilizando três bandas nos comprimentos de onda do visível.

25 SISTEMA POR QUADRO

26 SISTEMA PUSHBROOM Maior tempo de permanência de um detector sobre um pixel. Alta relação sinal/ruído Sistema sem mobilidade interna Falta de uniformidade radiométrica entre detectores

27 SISTEMA WHISKBROOM Uniformidade de leitura para todos os pixels Sistema com mobilidade interna Menor tempo de permanência de um detector sobre um pixel.

28 SISTEMA WHISKBROOM (LANDSAT-TM) Detectores de Silício

29 SISTEMA WHISKBROOM Movimento combinado SLC + Plataforma:

30 SISTEMA WHISKBROOM Movimento combinado SLC + Plataforma:

31 SISTEMA WHISKBROOM Movimento combinado SLC + Plataforma: Imagem

32 SISTEMA WHISKBROOM Efeito da falha no SLC:

33 SISTEMA WHISKBROOM Efeito da falha no SLC: Imagem

34 EFEITO DO PROBLEMA NO ESPELHO SLC DO LANDSAT 7

35 Ponto de Reflexão 1) Quais são as vantagens e desvantagens dos sistemas de varredura pushbroom e whiskbroom? 2) Por que o sistema de aquisição por quadros (mesmo das máquinas fotográficas convencionais) não é geralmente utilizado em satélites? 3) Se o olho humano consegue diferenciar aproximadamente 30 níveis de cinza, por que as imagens de satélite contam com 256 níveis? 4) Como é possível ao olho enxergar outras cores se possuímos somente detectores vermelhos, verdes e azuis? 5) O que é geralmente levando em consideração no projeto de um novo sensor a bordo de um satélite? 6) Explique a principal razão pela qual os sensores CCD dos satélites não funcionam de maneira similar ao olho humano? 7) Qual a vantagem de se fazer diferentes composições de bandas nas cores RGB?

36 Resolução Espacial É a resolução mais fácil de entender. Tem a ver com o tamanho do pixel na imagem (espaço). É medida pelo do tamanho do pixel em metros.

37 Resolução Espacial 100 metros

38 Resolução Espacial 30 metros

39 Resolução Espacial 5 metros

40 Resolução Espacial Baixa resolução espacial Pixel grande Alta resolução espacial Pixel pequeno

41 Resolução espectral É a capacidade do sensor de separar o espectro de radiação recebido em diferentes bandas. Quanto maior o número de bandas, maior é a resolução espectral.

42 Resolução espectral Exemplos: Luz vinda de um pixel (IFOV) Representando o infra-vermelho (não visível) Detectores 4 bandas Fraca resolução espectral 8 bandas Média resolução espectral 16 bandas Boa resolução espectral

43 COMPORTAMENTO ESPECTRAL DE ALVOS Uma boa resolução espectral e Espectral nos permitirá diferenciar com facilidade alvos como vegetação, solo, rocha, água, sombra etc.

44 COMPORTAMENTO ESPECTRAL DE ALVOS

45 QUESTÃO ENEM 2011

46 Exemplo Landsat Resolução espectral Bandas espectrais Bandas/Sensores TM ETM+ IKONOS 1 0,45-0,52 m m 0,45-0,52 m m 0,45-0,52 m m 2 0,52-0,60 m m 0,53-0,61 m m 0,52-0,60 m m 3 0,63-0,69 m m 0,63-0,69 m m 0,63-0,69 m m 4 0,76-0,90 m m 0,78-0,90 m m 5 1,55-1,75 m m 1,55-1,75 m m 6 10,4-12,5 m m 10,4-12,5 m m 7 2,08-2,35 m m 2,09-2,35 m m Pan 0,52-0,90 m m 0,45-0,90 m m

47 Resolução Radiométrica A resolução radiometrica é o número de tons de cinza que cada pixel da imagem pode assumir. Geralmente as imagens contam com 256 níveis de cinza (8 bits ). Isso garante que para cada banda de uma imagem, os pixels possam assumir valores de 0 (preto) até 255 (branco) passando por níveis de cinza. O que vai definir a tonalidade de um pixel, se ele deve ser mais ou menos cinza, vai ser a quantidade de radiação eletromagnética vinda do pixel no terreno. Quanto mais radiação, mais claro é o pixel.

48 Resolução Radiométrica

49 Resolução Temporal Refere-se à frequência de passagem do sensor num mesmo local, num determinado intervalo de tempo. Este ciclo está relacionado às características orbitais da plataforma (altura, velocidade, inclinação), e ao ângulo total de abertura do sensor. A resolução temporal é de grande interesse especialmente em estudos relacionados a mudanças na superfície terrestre e no seu monitoramento.

50 RESOLUÇÃO TEMPORAL

51 O que é resolução? RESOLUÇÃO É A CAPACIDADE DOS SENSORES DE RESOLVER ALGUM ALVO. ESSE RESOLVER TEM O SENTIDO DE ENXERGAR ALGO. SATÉLITES DE RECURSOS NATURAIS TEM BASICAMENTE 4 TIPOS DE RESOLUÇÕES: ESPACIAL: A RESOLUÇÃO ESPACIAL DETERMINA O TAMANHO DO MENOR OBJETO QUE É POSSÍVEL REPRESENTAR NO ARQUIVO RASTER DIGITAL, SEJA IMAGEM DE SATÉLITE OU FOTOGRAFIA AÉREA. PORTANTO, O USUÁRIO DEVE ESCOLHER SUAS IMAGENS DE ACORDO COM A MAGNITUDE DA ESCALA DO SEU TRABALHO, EM OUTRAS PALAVRAS, A RESOLUÇÃO ESPACIAL DA IMAGEM DEVE SER EQUIVALENTE COM O TAMANHO DO MENOR OBJETO QUE SE DESEJA IDENTIFICAR. ESPECTRAL: A RESOLUÇÃO ESPECTRAL INDICA A QUANTIDADE DE REGIÕES DO ESPECTRO ELETROMAGNÉTICO NAS QUAIS O SENSOR É CAPAZ DE GERAR UMA IMAGEM DE NÍVEIS DE CINZA, E O INTERVALO DE COMPRIMENTOS DE ONDA INCLUÍDOS EM CADA UMA DAS REGIÕES. RADIOMÉTRICA: AS IMAGENS SÃO UMA REPRESENTAÇÃO, EM FORMATO DIGITAL OU ANALÓGICO, DE UMA PARTE DA SUPERFÍCIE TERRESTRE. AS IMAGENS ADQUIRIDAS POR SENSORES SATELITAIS TÊM GERALMENTE FORMATOS DIGITAIS (RASTER, NUNCA VETOR), JÁ AS FOTOGRAFIAS AÉREAS SÃO TRADICIONALMENTE IMAGENS ANALÓGICAS (PAPEL), RASTERIZADAS POR EQUIPAMENTOS SCANNER TRANSFORMANDO-O EM FORMATOS DIGITAIS. TEMPORAL: A RESOLUÇÃO TEMPORAL SE REFERE AO INTERVALO DE TEMPO EM DIAS OU HORAS, QUE O SISTEMA DEMORA EM OBTER DUAS IMAGENS CONSECUTIVAS DA MESMA REGIÃO SOBRE A TERRA.

52 É possível ter boa resolução espacial, radiométrica e espectral ao mesmo tempo? Por que então não podemos construir um sensor que tenha uma boa resolução espacial, radiométrica e espectral? Essa pergunta é um pouco intrigante, mas pense: quando uma certa quantidade de radiação vinda de um pixel é separada nos diferentes comprimentos de onda do espectro pelo prima, nós temos que captá-la através dos detectores posicionados próximos ao prisma. Se por acaso nós quisermos ter várias bandas (boa resolução espectral) nós devemos colocar vários detectores no espaço destinado a eles, e desta forma teríamos que diminuir o tamanho de cada um (como mostrado anteriormente). Diminuindo o tamanho dos detectores, nós faremos com que pouca radiação chegue a cada um deles (eles serão fracamente iluminados pela radiação do pixel). Isso fará com que o detector não seja capaz de sentir se muita ou pouca radiação está chegando da superfície terrestre. Na realidade, este problema está intimamente ligado ao chamado ruído aditivo do sensor. Bom, poderíamos resolver esse problema da quantidade de radiação vinda da superfície aumentando o tamanho do pixel! Dessa forma uma área maior na Terra refletirá mais radiação para os detectores. O problema neste caso é que isso diminuiria a resolução espacial...

53 CALIBRAÇÃO RADIOMÉTRICA

54 TESTE DE CALIBRAÇÃO EM LABORATÓRIO DO CBERS-2 (CHINA-2000)

55 TESTE DE CALIBRAÇÃO EM LABORATÓRIO DO CBERS-2 (CHINA-2000)

56 TESTE DE CALIBRAÇÃO EM LABORATÓRIO DO CBERS-2 (BRASIL-2001)

57 CALIBRAÇÃO RADIOMÉTRICA PRECISAMOS CALCULAR A ENERGIA EMITIDA PELO SOL QUE CHEGA EM CADA m 2 NA TERRA: P S POTÊNCIA TOTAL DO SOL [W/m 2 ] A 4 R 2 SOL R A ÁREA DA ESFERA [m 2 ] R DISTÂNCIA CENTRO SOL-SUP. TERRA [m] π 3,14 I ENERGIA SOLAR NO TOPO DA ATMOSFERA (IRRADÂNCIA) COM O SOL AO NADIR P s 2 / I W m A

58 CALIBRAÇÃO RADIOMÉTRICA

59 IRRADIÂNCIAS SOLARES (I ) POR BANDA (LANDSAT 5)

60 CALIBRAÇÃO RADIOMÉTRICA INTERPOLAÇÃO LINEAR PARA TRANSFORMAR OS CONTADORES DIGITAIS (CD) EM RADIÂNCIA. I IRRADIÂNCIA (INCIDENTE) - VEM DO SOL L RADIÂNCIA (RETORNO) ρ REFLECTÂNCIA (PROPORÇÃO REFLETIDA) CD Máx CD L I CD 0 L L CD 0 L L Min Max Max Min L L Max Min L CD LMin CDMax L min e L máx Parâmetros do Sensor L Min 0 L L máx [W/m 2.sr.µm] Ruído Offset CD Max = 2 bits -1

61 TABELAS DE CALIBRAÇÃO ( )

62 TABELAS DE CALIBRAÇÃO ( )

63 CALIBRAÇÃO RADIOMÉTRICA EQUAÇÕES: L L Max Min L CD LMin CDMax I P s A TABELA L I

64 EXERCÍCIO 1) Dados: Potência total emitida pelo sol: P s = 3, W, Distância Sol (centro)-terra (superfície) = m Calcular a Irradiância (I) supondo Sol ao nadir. 2) Determine para um pixel com valor 35 de uma imagem Landsat 5 o valor da radiância espectral, e logo após, da reflectância. Assuma a banda 3: Lmin= -1,17 w/m² e Lmáx= 264,0 w/m² I = 1551 w/m²

65 Ponto de Reflexão 1) Qual é a resolução mais importante para um estudo urbano? Por que as imagens dessas áreas possuem uma elevada resolução temporal? 2) Em um estudo para diferenciar espécies vegetativas em zonas de cultivo, quais as resoluções que são mais importantes? 3) Diferencie resolução temporal de período de revisita. 4) Qual é a finalidade da calibração radiométrica?