MINIMIZAÇÃO DOS EFEITOS DA FUMAÇA SOBRE O CÁLCULO DO NDVI

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1 MINISTÉRIO DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA INSTITUTO NACIONAL DE PESQUISAS ESPACIAIS INPE-8976-TDI/810 MINIMIZAÇÃO DOS EFEITOS DA FUMAÇA SOBRE O CÁLCULO DO NDVI Marcelo Lima de Moura Dissertação de Mestrado em Sensoriamento Remoto, orientada pelo Dr. Lênio Soares Galvão, aprovada em 21 de maio de INPE São José dos Campos 2002

2 MOURA, M. L. Minimização dos efeitos da fumaça sobre o cálculo do NDVI / M. L. Moura São José dos Campos: INPE, p. (INPE-8976-TDI/810). 1.Sensoriamento remoto. 2.Índice de Vegetação da Diferença Normalizada (NDVI). 3.Cerrado. 4.Espectrômetro Aerotransportado no Visível e Infravermelho (AVIRIS) 5. Reflectância. 6.Vegetação. I.Título.

3 Aprovado pela Banca Examinadora em cumprimento a requisito exigido para a obtenção do Título de Mestre em Sensoriamento Remoto. Candidato: Marcelo Lima de Moura São José dos Campos, 21 de abril de 2002.

4 À minha esposa, Vanessa, e à minha filha Mariane, dedico.

5 AGRADECIMENTOS Ao Dr. Lênio Soares Galvão, pelo profissionalismo com que a orientação do trabalho foi conduzida e, principalmente, pela amizade e dedicação que tornaram possível a realização deste trabalho. Aos integrantes da banca examinadora, pela determinação em analisar este trabalho e pelas sugestões recebidas. Aos Drs. Antônio Roberto Formaggio, José Carlos Neves Epiphanio, e Flávio Jorge Ponzoni pelo apoio à realização do trabalho de campo. À Etel e à Angelucci, pelo apoio constante na secretaria da Coordenação Acadêmica do Curso de Sensoriamento Remoto. Aos funcionários da biblioteca do INPE, pelos serviços prestados ao longo do curso. A todas as pessoas que direta ou indiretamente contribuíram para a realização deste trabalho. Ao Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), ao Comando Geral do AR (COMGAR) e ao Centro Técnico Aeroespacial (CTA), pela confiança depositada na minha pessoa em realizar este trabalho e apoio prestado no decorrer do curso.

6 RESUMO Este trabalho tem como objetivo discutir os efeitos da fumaça e o uso de relações empíricas entre as bandas do vermelho (V) e infravermelho médio (IVM) para a minimização desses efeitos sobre o cálculo de índices de vegetação (IVs). Para tal propósito, uma pequena série temporal, composta por imagens do sensor Airborne Visible/Infrared Spectroradiometer (AVIRIS) adquiridas em três datas distintas (25/08/95, 27/08/95 e 01/09/95) sobre uma área de estudo situada próxima à cidade de Cuiabá (MT) foi analisada. A detecção das mudanças ocorridas na área durante o período de aquisição de dados, especialmente aquelas decorrentes do fogo/fumaça, foi caracterizada através de um modelo de mistura espectral. Os efeitos da fumaça sobre os componentes das cenas AVIRIS foram analisados tendo como base os resultados obtidos pelo modelo de mistura espectral. Espectros de reflectância representativos de solo, campo limpo, campo sujo, cerrado e mata de galeria foram extraídos da imagem do dia 25 de agosto, em porções da cena livres da influência de fumaça, para identificar a banda do IVM que melhor estimasse a banda do V. Os resultados mostraram que: a) a imagem-fração vegetação nãofotossinteticamente ativa (VNFA) do modelo de mistura espectral foi a que melhor realçou as mudanças causadas pelas queimadas no período de estudo; b) os efeitos da fumaça são mais fortes na faixa do visível (VIS), diminuem bruscamente no IVP e são praticamente desprezíveis no IVM. A magnitude destes efeitos é dependente do tipo de alvo, embora a causa de tal dependência precise ser mais bem avaliada; c) a reflectância da banda do V, sensível aos efeitos da fumaça, pode ser estimada a partir da resposta do IVM posicionada em 2100 nm, que não é afetada por tais efeitos; d) usando esta estimativa, a correção atmosférica dos efeitos espectrais da fumaça sobre o índice de vegetação da diferença normalizada (NDVI normalized difference vegetation index) é adequada para as superfícies com vegetação. Para alvos em que a relação de covariância positiva da banda do V e do IVM não é observada, como a água e as queimadas, resultados discrepantes podem ser obtidos para o NDVI após a correção dos efeitos de fumaça.

7 REDUCTION OF SMOKE EFFECTS ON NDVI DETERMINATION ABSTRACT The objective of this dissertation is to discuss the effects of the smoke and the use of empirical relationships between the red (R) and mid-infrared (Mid-IR) for reduction of such effects on the vegetation index (VI) determination. For this purpose, a short temporal set of images from the Airborne Visible/Infrared Spectroradiometer (AVIRIS) acquired in three distinct dates (25/08/95, 27/08/95 and 01/09/95), over an area of study located near the city of Cuiabá (MT), was analyzed. To detect the changes occurred in the area during the data acquisition period, specially those caused by the fire/smoke, a spectral mixture model was applied over the data. The effects of the smoke on the AVIRIS scene components were analyzed based on the results obtained by the spectral mixture model. Representative reflectance spectra of soil and savanna vegetation types were extracted from the image of August 25, 1995, in portions of the scene free of smoke to identify the Mid-IR band that better estimated the R band. The results showed that: a) the nonphotosynthetic vegetation (NPV) fraction image was the best product to enhance changes caused by fires in the period of study; b) the smoke effects are stronger in the visible region, decrease abruptly in the near-ir, and are practically negligible in the mid-ir. The magnitude of these effects is target dependent, although the causes of this dependence need to be better evaluated; c) the R reflectance, sensible to the smoke effects, can be estimated from the reflectance of the mid-ir band positioned at 2100 nm, which is not affected by the smoke effects; d) using this estimate, the atmospheric correction of the smoke effects on the normalized difference vegetation index (NDVI) is adequate for the vegetation surfaces. For targets in which the relationship of the positive covariance between the R and Mid-IR bands is not observed, such as water and burned areas, discrepant results can be obtained from the NDVI after correction of the smoke effects.

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