Memorias. VII Simposio Latinoamericano de Percepción Remota. Latinoamérica Evaluada desde el Espado Puerto v-ilartá, México

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1 VII Simposio Latinoamericano de Percepción Remota Sexta Reunion Nacional SELPER-Mexico Latinoamérica Evaluada desde el Espado Puerto v-ilartá, México Memorias Noviembre, 1995

2 EFEITOS DE ILUMINAÇÃO DE CENA NOS DADOS DO SSRJMECB AVALIADOS COM O SAIL José C. N. Epiphanio; Antonio R. Formaggio; José M. Gleriani; Bernardo F. T. Rudorff; Yosio E. Shimabukuro Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) Cx. P. 515, , São José dos Campos, SP, Brasil epiphani@ltid.inpe.br RESUMO O Brasil tem entre suas metas o lançamento de dois Satélites de Sensoriamento Remoto (SSR) como parte da Missão Espacial Completa Brasileira (MECB). A MECB já teve um Satélite de Coleta de Dados (o "SCD1") lançado com sucesso, superando as expectativas de funcionamento. Os SSR terão órbita equatorial, cobrindo de 5 N a 15 S, o que equivale à quase totalidade da Amazônia brasileira, e a parte do Nordeste e dos Cerrados. Operarão comi] bandas no visível e no infravermelho refletido, com resolução variável de 100 a 190m. Terão ciclo de repetitividade de 2 horas, permitindo múltiplas imagens por dia, o que aumentará sensivelmente a possibilidade de obtenção de imagens livres de nuvens e deverá favorecer o monitoramento de eventos dinâmicos e/ou de curta duração. Em função da órbita equatorial, cada imagem será obtida sob diferentes ângulos de iluminação de cena. Esse tipo de efeito é pouco representativo no caso dos satélites heliossíncronos, já que, para eles, as únicas variações de ângulos solares que têm influência significativa são aquelas causadas pelas diferentes estações do ano. Porém, as variações dos ângulos solares deverão constituir-se em fatores de grande importância na análise dos dados do SSR. Neste trabalho, estudam-se os efeitos das variações dos ângulos de elevação/azimute solares, através do uso do modelo de simulação da reflectância SAIL. Os resultados demonstram que o efeito de horário de passagem é mais importante para baixos ângulos de elevação solar. Além disso a estação do ano causa alterações significativas nas reflectâncias. ABSTRACT The Brazilian Space Program has two remote sensing satellites (SSR) scheduled for the end of this decade. The orbit of these satellites will be equatorial and will cover latitudes from +5 to -15. This represent almost entirely the Amazonia region, the Cerrados and the Northeast of Brazil. These Amazonia and the Northeast regions are characterized by very frequent cloud cover, and this has caused a large rate of bad images. The spatial resolution will be from 100 to 190 meters. There are many constraints to be evaluated in a such orbit pattern. In this paper we use the SAIL model to evaluate the geometry of illumination and imaging on the reflectance of vegetation. It is shown that time and seasons can affect the reflectance; however, images obtained around noon can be minimaly affected during any season. 1. INTRODUÇÃO O Brasil tem duas grandes missões espaciais a Missão Espacial Completa Brasileira (IvIECB) e a China-Brazil Earth Resources Satellite (CBERS). A MECB visa ao desenvolvimento de dois satélites de coleta de dados, dois satélites de sensoriamento remoto, um veículo lançador de satélites e uma base de lançamento de satélites. O primeiro Satélite de Coleta de Dados (SCD-1) foi lançado com êxito em fevereiro de Na continuidade do programa, os esforços estão se voltando para os de sensoriamento remoto, com previsão de lançamento para o final da década. A concepção inicial dos Satélites de Sensoriamento Remoto (SSR) indicava uma órbita polar, com resolução temporal de quatro dias e espacial em torno de 250 metros, com duas bandas (vermelho e infravermelho próximo). 105

3 Porém, durante o desenvolvimento do CBERS, decidiu-se migrar tal concepção do SSR para o CBERS. Diante disso, passou-se a discutir qual deveria ser a nova concepção da missão de sensoriamento remoto da MECB. Recentemente, foi definida a nova missão SSR da MECB, que apresenta configurações inovadoras e visa atender prioritariamente a região tropical do planeta. Esta região é caracterizada por sérios problemas de imageamento com satélites que operam na faixa óptica do espectro eletromagnético devido à presença de nuvens (Bogossian et al., 1995). Uma das características do atual SSR/MECB é sua órbita equatorial. Este padrão orbital permite uma grande repetitividade de imageamento, aumentando sobremaneira a possibilidade de imageamento útil em áreas de intensa cobertura de nuvens. Porém, tal concepção impõe visadas norte-sul, ao contrário dos satélites tradicionais de sensoriamento remoto (Landsat, Spot), que têm visadas leste-oeste. Além disso, são previstas várias aquisições de imagens ao longo de cada dia, o que também implica em diferentes condições de iluminação entre as imagens adquiridas no mesmo dia. Aliado a isso há também o campo de visada amplo, que faz com que diferentes latitudes estejam presentes numa mesma cena. Tais condicionantes de iluminação e de imageamento impõem vários desafios em termos de utilização de tais produtos. Neste trabalho é apresentada uma primeira simulação, através do uso do modelo de reflectância SAIL (Scattering by Arbitrarily Inclined Leaves) (Verhoef, 1984), dessas situações de iluminação e visada sobre a reflectância dos alvos. 2. MATERIAL E MÉTODOS 2.1. O SATÉLITE SSR o SSR, cuja missão foi recém aprovada pela Agência Espacial Brasileira, terá órbita equatorial e cobrirá uma faixa terrestre de cerca de km, desde a latitude 5 N até 15 S. Com isso, grande parte da Amazônia, e partes do Nordeste e dos Cerrados serão recobertos (Figura 1). Basicamente, o satélite terá dois módulos, sendo que o primeiro terá apontamento para o nadir e recobrirá de 5 N até 5 S (Field of View FOV de 62 e FOV Instantâneo IFOV de 0.1 mrad), e o segundo terá apontamento de 30 0 e recobrirá de 5 S a 15 S (com FOV de 30 0 e IFOV de 0.06 mrad) (Figura 2). As resoluções espaciais variarão de cerca de 100m no nadir a 200m na posição extrema do módulo 2 (69 ). Estão previstas três bandas (verde, vermelho e infravermelho próximo), podendo ser incorporada uma quarta no infravermelho médio. Nesta nova concepção de missão, um outro aspecto inovador é o padrão de transmissão de dados. Haverá dois modos: o centralizado e o descentralizado (Figura 3). No modo centralizado, os dados serão transmitidos para uma estação central (provavelmente em Cuiabá), à semelhança dos satélites de sensoriamento remoto atuais. No modo descentralizado, as imagens serão transmitidas para pequenas estações de baixo custo cobrindo uma área de aproximadamente 250 kin de raio. Isso será permitido pela compressão das imagens antes do envio. Neste modo descentralizado o usuário terá acesso às imagens em tempo quase real, dando grande agilidade ao processo de análise IMPLICAÇÕES GEOMÉTRICAS Dada a variação das condições de imageamento e visto que várias imagens serão obtidas ao longo do dia, é importante que se saibam os efeitos que tais condições causarão na detecção dos diferentes alvos. Muitos trabalhos têm demonstrado os efeitos de diferentes geometrias de iluminação e de visada na reflectância dos objetos. Irons et al. (1992) observaram sensíveis anisotropias na reflectância dos solos em função de variações dos ângulos zenitais de visada ao longo do plano principal de iluminação. Tais variações anisotrópicas dos alvos podem ser úteis para entendimento dos alvos e processos terrestres (Pinty e Verstraete, 1991). Porém, como os alvos podem ocorrer em conjunto num mesmo elemento de visada, é desejável o desenvolvimento de estudos e métodos que permitam o 106

4 , conhecimento e a avaliação da interferência mútua entre tais diferentes objetos (Kimes, 1983; Huete, 1987; Middleton, 1991; Ranson, et al., 1994). rj-,? J O,, \..._,..:.?...,,...:'..ç.::»:::yi., :,.;.., 4, '...i,.:-.;...,,..0::::: :,4,1,... :>:,..:. 0: ?mstp:4".:..,, ;.r.a.. -,;:::Yo-: :Wi'...2s:::.i.:::::.'? 59 N,.,<?.,....., r.,::::...: t!. :.4:-..,. :N. :.::::,..- 4, p.: :,..- sígi:.wwie,, 3,: :f,','..'. : -...,...::,F :.,A::*.':,.. ',.,.,,, r 3:' ''.,,. :',,:;';'. :..,.: :..::,,,::.::..,....'.;'ilk.:..;..., ,,.(iiiig t': Vi#11%.,..',,,::,,,,,. -.:if...:.'...;::::.. ',.,... }'...,-: ` lerw':::...:,...:!:::..::::::::::':."::::-.:"3';',.4.'' ',4:15.445:: 4,ree,:,v::.,P,v.:'4'.?",,i,':,,.. : i.; --- o :t...'.,.,..,. E,:.:,,...?.:...., ;:ar 1191S.'.', :J.: ::::',Á:.:. - IC,..,...,,,,,,,,,R.,,... :::,.:,,, ,..,...,5., i-..::,:....".r.'.., ',' 311: 2:...á,..,..--";:)',.,,,R4:`,.ki: :.',..... :;:t.-.:,..;.?..,:::x::4:::40,...,-i."%iles.nwittl..,41,5:4:.e,:..3.x050.4i.. :..:.-;40S,":4...?..:::.::.:4,f04 4tist4*--.,,,, -...,,.....,..:?:, i \.:::':' 1.W 1 B ::.:..- ''.:"J"...'' R A S 1 1 :4.10,.,-,,,:. L.,,,,..:::..,, t......, -:..,-..-,:n:....4.::::......::,.. :::::',: :,,.. :1:,..,!,g...-:::.:.::::.,.4."-..i...:;\,50.t:-.,t:5,:l.....,::::,..::,an:If., _. -»,-,-;.:::::,.,,,,,,,,,-.4. t.y.4 :w:a.,..,;: :',...* ;''."-k-..:im.:',.:,:i.4:::::,x,,,;,...:t.-.44,-,,;:::-...l.,-,:-nn',4:1,.: :.,..:0:::.:,..,,, ::::':..w?.',::::::::on.::::::.::....,,.., :...,..,i,:::::::. -::::.,...:, :::::,:::5-:,, ;.. ::::::::. 1,:*:,:i...4. : :...,,...,-,....,...,..,....,..., \. CUIABÁ SAO JOSE DOS CAMPOS 45 lb Figura 1 - Latitudes de abrangência do SSR Outro aspecto importante neste contexto é que para a derivação de relações entre parâmetros biofisicos dos objetos e dados de sensoriamento remoto é necessário o conhecimento das relações envolvendo tais geometrias. Por exemplo, Epiphanio e Huete (1994, 1995) demonstraram a influência de solos, estrutura de plantas e geometrias de visada e de iluminação sobre a relação entre índices de vegetação e radiação fotossinteticamente ativa absorvida por dosséis. O uso de modelos de simulação para avaliações geométricas de iluminação e visada em sensoriamento remoto é freqüente. Os modelos apresentam, dentre outras vantagens (Goel, 1980), a possibilidade de testar situações que seriam impraticáveis em condições normais de experimentação. A simulação de reflectância de dosséis, associada a medições de campo, tem permitido que se avaliem as mais diferentes situações encontradas na natureza (Kriebel, 1978; Kirchner et al., 1981; Asrar, 1992). Um desses modelos de simulação de reflectância largamente utilizado é o SAIL (Scattering by Arbitrarily Inclined Leaves) (Verhoef, 1984; Goward et al., 1994). O SAIL assume uma distribuição de inclinação foliar fixa e arbitrária e uma distribuição aleatória de azimutes foliares. O modelo SAIL inclui o modelo uniforme de Suits (Suits, 1972) como um caso particular. Suas principais características são que variáveis de dossel tais como índice de área foliar e a função de distribuição da inclinação foliar são usadas como parâmetros de entrada, e que fornece um perfil mais realístico da refiectância direcional como uma função ângulo de visada ou do ângulo zenital solar. Apesar de ser bastante utilizado, o SAIL não leva em consideração vários fatores encontrados numa situação real, tais como o efeito "hot spot", o efeito de fileiras, ou ainda a estrutura do dossel (por exemplo, plantas com alturas desiguais, aglomerações de índices de área foliar, efeitos de sombreamento, etc.). Obviamente, tais considerações têm de ser levadas em conta na análise das simulações feitas aqui, já que até o presente não se dispõe de um modelo idealizado para simulação de reflectância em vegetação do tipo encontrado na Amazônia, por exemplo. 107

5 Figura 2 - Representação dos dois módulos do SSR e dos seus campos de visada. liel 111 N N TRANSMISSÃO TRANSMISSÃO CENTRALIZADA 1111:114 Figura 3 - Sistema de recepção centralizada e descentralizam ao aan. 108

6 2.3. SITUAÇÃO ESTUDADA Procurou-se uma gama abrangente de situações a serem simuladas. As latitudes foram tomadas para as situações limites do SSR, ou seja, os extremos norte e sul do módulo 1 mais o nadir no equador, e os extremos norte (quase coincidente com o módulo 1, e assumido como sendo indêntico para fins de simulação) e sul do módulo 2 mais o ponto central do FOV. Selecionaram-se 4 horários matutinos e uma gama de valores de índices de área foliar. Tomaram-se três épocas do ano (um equinócio e dois solstícios). A longitude assumida como valor representativo para este estudo foi 45 W. Os dados de reflectância foliar são da espécie Picramia regnelli (Ponzoni, comunicação pessoal) e os de solo estão em Epiphanio et al. (1992). A Tabela 1 resume tais parâmetros. Tabela 1. Parâmetros de entrada para simulação via SAIL. Reflectância(%) Transmit.(%) Latit. verm infrav_ verm. infrav. 5 N folha 4,82 48,56 4,82 48,56 O solo claro 31,5 31,7 - solo escuro 11,4 18, Épocas Hora Índ. de Área Foliar Sols. Inv Sois. Ver Equin. Out RESULTADOS E DISCUSSÃO O SSR terá um percurso leste-oeste e, conseqüentemente, fará visadas norte-sul. As situações de imageamento do SSR envolverão uma pequena região (de 00 a 5 ) ao norte do equador e uma grande região ao sul do equador (0 a - 15 ). A região ao norte do equador será visada com ângulos azimutais de visada próximos de zero em relação ao norte verdadeiro. A parte sul será imageada com ângulos azimutais de visada próximos de 180 em relação ao norte verdadeiro. Uma condicionante importante da reflectância do dossel é a época do ano. Na Figura 4 estão representados os solstícios de verão (a) e de inverno (b) e o equinócio de outono (c) para o hemisfério sul, para uma situação de índice de área foliar (LAI) 3, solo claro, e banda do infravermelho próximo. Observa-se que no solstício de inverno a variação da reflectância em função das diferentes latitudes é mais pronunciada que nas outras duas épocas. Isso se deve basicamente ao fato de que no inverno o ângulo de elevação solar para um mesmo horário é mais baixo do que no verão ou nos equinócios. Quando o ângulo de elevação solar é baixo a espessura óptica do dossel é maior ocasionando uma maior interacão com as folhas e, conseqüentemente, aumentando a reflectância no infravermelho. À medida que se afasta do solsísticio de inverno em direção ao equinócio e ao solstício de verão o sol fica cada vez mais elevado para um mesmo horário local. A espessura óptica do dossel torna-se menor, há uma menor interação da radiação eletromagnética com o dossel e uma diminuição da reflectância. Outro aspecto a ser destacado nesta Figura 4 é a relativa homogeneidade de valores de reflectância entre os horários de 10, 11 e 12 horas, independentemente das estacões do ano. Num sistema de medição norte-sul, em que o Sol descreve um percurso leste-oeste, as variacões de iluminação ao redor do ângulo de máxima elevação solar (12 horas) não são tão acentuadas quanto nos períodos de baixos ângulos de elevacão solar (manhã e tarde). Assim, nesses horários de elevados ângulos solares a variação do nível de interação da energia eletromagnética com o dossel 109

7 é menor do que nos horários de baixos ângulos solares. Esse comportamento nos horários intermediários do dia ocorre para todas as situações analisadas nesse trabalho. LAI = 3; Solo Claro; IVP Solstício de Verão (a) á (" w I Solstício de Inverno (b) to 56 c o , Equinócio (c) Lat=+5.5c O Tzt I» _ ' Hora Figura 4 - Reflectância em três épocas do ano, na banda do infravermelho próximo, 110

8 12 É 10 ki 8 ' Solo Esc.; 10hs; Lat.=1 OS o 6 4 a) (X 2 - o o LAI a f) o_ > 50-1j 40 (1) LAI :78 5- Equin. o Sois. Ver c,sols. Inv LAI Figura 5 - Rellectância na banda do vermelho, infravermelho e NDVI para três épocas do ano. Ainda quanto à diferenciação entre os horários na Figura 4, é interessante discutir a passagem do horário de 8 horas para o de 10 horas. Observa-se que, particularmente no equinócio e no solstício de verão, há uma brusca

9 elevação da reflectância no infravermelho quando se passa das 8 para as 10 horas na latitude de 15 S (menos acentuado para 10 S), enquanto há um pequeno decréscimo de reflectância entre esses dois horários para as outras latitudes. Considerando que numa visada em direção ao sul como é a do módulo 2 do SSR e para baixas latitudes (em relação à gama de latitudes abrangida pelo SSR) às 8 horas da manhã o ângulo azimutal solar é menor que 90 no solstício de inverno, enquanto que no verão é maior que 90 0 No caso inverno, nos horários seguintes há uma diminuição do ângulo' azimutal solar e, no verão um aumento. Esse padrão de comportamento da iluminação faz com que, no inverno haja uma diminuição da reflectância das 8 para as 10 horas e da manhã e, no inverno um aumento. Vê-se, portanto, que o comportamento da reflectância está muito ligado à posição geográfica do alvo e à época em que o sensor está realizando o imageamento A variação dos parâmetros espectrais em função do índice de área foliar está apresentada na Figura 5. A situação é expressa para as 10 hs a 10 S de latitude para as três estações analisadas, para o solo escuro. Observa-se que para a banda do vermelho (Fig. 5a) há uma rápida saturação da reflectância em função do LAI. Isso é devido basicamente à elevada absorção da energia nesta banda devido aos pigmentos clorofilianos existentes nas folhas. Na banda do infravermelho (Fig. 5b) a saturação é menos acentuada e ocorre em valores mais elevados de IAF. Nesta banda a energia é altamente transmitida e refletida pelos componentes do dossel, causando múltiplos espalhamentos e, conseqüentemente, aumentando a reflectância do dossel. Quando se analisa o índice de vegetação (IV?- VERM.) NDVI - vê-se que o nível de saturação em relação ao LAI é atingido rapidamente (Fig. 5c). Acima de (IVP+ VERM.) LA1 = 3 praticamente não mais se observa diferenciação entre as diversas estações. O mesmo comportamento é verificado para os dois tipos de solos. Esses resultados quando analisados à luz do SSR indicam que imagens SSR obtidas ao redor do meio dia terão comportamento muito semelhante, dado que as variações de iluminação introduzirão pouca alteração no comportamento de dosséis homogêneos. Entretanto, dependendo da época do ano, poderão haver sensíveis variações entre as respostas de alvos semelhantes e homogêneos dentro de uma mesma cena em função da posição latitudinal em tais alvos estiverem. Particularmente, na latitude de -15, onde os alvos serão imageados num ângulo zenital de visada de mais de 65, a alteração espectral poderá ser sensível (Fig. 4b). O modelo SAIL aqui utilizado dá apenas indicadores de possíveis comportamentos esperados nos dados do SSR. Por ser um modelo simples, não leva em conta certas complexidades estruturais normalmente encontradas nos ambientes naturais, como por exemplo, constituição complexa da vegetação em termos de componentes (folhas, troncos, ramos), diferenças de tamanho entre espécies numa mesma comunidade, efeitos de sombreamento (que se sabe serem de alta relevância na explicação final da reflectância em vegetação arbórea), distribuição agrupada de plantas, etc. Ou seja, não se pode pretender que as imagens a serem obtidas segam o comportamento aqui mencionado. Além disso, o SAIL não permite considerações sobre influências atmosféricas. Porém, as considerações principalmente quanto às diferenciações de horários são muito pertinentes e dão indicações sobre o que esperar m termos de comportamento espectral a serem verificados nas imagens do SSR/MECB. CONCLUSÕES A análise usando o modelo de simulação de reflectância SAIL mostrou que os efeitos angulares de iluminação e visada desempenharão papel importante nos dados do SSR. É de se esperar que os dados obtidos ao redor do meio dia apresentarão comportamento semelhante, e isso deve ser levado muito em consideração no momento de decidir sobre os horários de passagem do satélite. Fatores como tipo de solo também influenciarão os dados do SSR, principalmente em situação de baixo índice de área foliar. Além disso, um parâmetro fundamental a ser estudado é a atmosfera e seu papel na qualidade das imagens SSR, principalmente para os elevados ângulos zenitais presentes no módulo 2. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Asrar, G. R.B. Myneni; B.J. Choudhury, (1992), Spatial heterogeneity in vegetation canopies and remote sensing of absorbed photosynthetically active radiation: a rnodeling study, Remote Sens. Environ. 41,

10 Bogossian. 0.L.; J.C.N. Epiphanio; Y.E. Shimabukuro; B.F.T. Rudorff, (1995), Avaliação da nova concepção do satélite de sensoriamento remoto para a aplicação de monitoramento ambiental, INPE, São José dos Campos, 22p. Epiphanio, J.C.N.; A.R. Huete, (1994), Influence of sun-view geometries on the relationships among vegetation indices, LAI, and absorbed PAR, In: International Geoscience and remote Sensing Symposium, Pasadena, CA, 8-12 Agosto, p Epiphanio, J.C.N.; A.R. Huete, (1995), Dependence'of NDVI and SAVI on sun/sensor geometry and its effect on fapar. relationships in alfalfa, Remote Sens. Environ. 51, Huete, AR., (1987), Soil and sun angle interaction on partial canopy spectra, Int. J. Remote Sensing 8(9), Irons, J.R.; G.S. Campbell; J.M. Norman; D.W. Graham; W.M. Kowalick, (1992), Prediction and measurement of sou l bidirectional reflectance, IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing 30(2), Kimes, D.S.; W.W. Newcomb; Schutt, J.B.; P.P Pinter Jr.; R.D. Jackson, (1984), Directional reflectance factor distributions of a cotton row crop. Int. J. Remote Sensing 5(2), Kimes, D.S., (1983), Dynamics of directional reflectance factor distributions for vegetation canopies, Appl. Opt 22(9), Kirchner, J.A.; C.C. Schnetzler; J.A. Smith, (1981), Simulated directional radiances of vegetation from satellite platforms, (1981), Int. J. Remote Sensing 2(3), Middleton, E.M., (1991), Solar zenith angle effects on vegetation indices in tallgrass prairie, Remote Sens. Environ. 38, Pinty, B.; M.M. Verstraete, (1991), Extracting information on surface properties from bidirectional reflectance measurements, J. Geophys. Res. 96(D2), Ranson, K.J.; J.R. lrons; Williams, DL., (1994), Multispectral bidirectionl reflectance of northern forest canopics with the Advanced Solid-state Array Spectroradiometer (ASAS), Remote S'ens. Environ. 47, Verhoef, W., (1984), Light scattering by leaf layers with application to canopy reflectance modcling: the SAIL model, Remote Sens. Eviron. 16,