GIULIANO SANT`ANNA MAROTTA ANÁLISE DE DIFERENTES MODELOS PARA A CORREÇÃO GEOMÉTRICA DE IMAGENS ORBITAIS DE ALTÍSSIMA RESOLUÇÃO

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1 GIULIANO SANT`ANNA MAROTTA ANÁLISE DE DIFERENTES MODELOS PARA A CORREÇÃO GEOMÉTRICA DE IMAGENS ORBITAIS DE ALTÍSSIMA RESOLUÇÃO Dissertção presentd à Universidde Federl de Viços, como prte ds exigêncis do Progrm de PósGrdução em Engenhri Civil, pr obtenção do título de Mgister Scientie. Viços Mins Geris Brsil 00

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4 AGRADECIMENTOS ii Agrdecimento é um cois bstnte pessol, porém, como não posso me esquecer ds pessos que contribuírm efetivmente em minh vid tnto pessol qunto cdêmic, escrevo um breve, porém importntíssimo relto. Aos meus migos Gbriel, Frederico, Petrônio, Rfel Tucno e Aln Cegonh por me compnhr ns váris etps de minh vid, em fests e frrs, sempre sindo d mediocridde. Aos meus primos Frncisco osé, Aln, Sergio Augusto, Mrcos Antônio, por tods s más crições que fizemos juntos desde crinç té os dis de hoje. Aos meus novos migos que encontrei no mestrdo, Leonrdo, Rfel e Rômulo, pels sudoss noitds que pssmos juntos, com frio, com fome e com sono, com justmento de observções n vei, esperndo o di rir pr entregr os trblhos em di e horário previstos e esperndo noite cir pr começr beber no lto d serr do brigdeiro. À CAPES, pel concessão d bols de estudos. Aos meus professores Dlto, Crlos e Simões pelo perto que pssei, pel mizde que veio junto com o ensinmento, por estr certo de que consegui ssimilr tudo o que lecionrm, e por serem referênci que tenho e repsso todos que tenho oportunidde. Ao professor Elpídio pels vlioss indgções sobre os experimentos, mostrndo sempre o ldo crítico d pesquis. Aos meus pis osé Mri Roch Mrot e Mri d Conceição Sntn Mrot por tod dedicção impost pr que eu tornsse um pesso cd vez melhor, e às minhs irmãs Srh e Smnth por nos turrmos desde o começo de nosss vids e por sermos sempre unidos ns diverss situções que vid nos impôs. À minhs vós, Pequen e Elz juntmente com tod prole, pois sem eles, o que seri de mim? Finlmente à Aline, com quem me csei e que vem me güentndo por muitos nos, sempre me incentivndo e cortndo os meus vícios, me fzendo um pesso cd di melhor.

5 SUMÁRIO iii LISTA DE FIGURAS... v LISTA DE TABELAS... viii RESUMO...ix ABSTRACT...xi INTRODUÇÃO.... ustifictiv e Hipóteses de Pesquis.... Objetivos.... Orgnizção d Dissertção... IMAGENS ORBITAIS E SUAS CARACTERÍSTICAS.... Sensores Digitis..... Efeito FotoElétrico..... Sensores CCD e CMOS..... Arrnjos de CCDs Arrnjo Liner Arrnjo Mtricil.... Tomds ds Imgens..... Tomds ds Imgens Wiskbroom..... Tomds ds Imgens Pushbroom..... Tomds ds Imgens em Qudros..... Tomds ds Imgens Estereoscópics.... Pltforms Stélites.... Sensor QuickBird.... Crcterístics ds Imgens..... Resolução Espcil, Espectrl, Rdiométric e Temporl..... Distorções Geométrics Distorções Geométrics Referentes o Objeto Visdo Distorções Geométrics Devido à Pltform... GEORREFERENCIAMENTO DIRETO.... Clibrção do Sensor.... Prâmetros de Orientção Exterior Empregndo GNSS/INS Prâmetros de Orientção Exterior Prtir ds Efemérides..... Sistem de Referênci Celeste Interncionl...

6 iv.. Sistem de Referênci Terrestre Interncionl Sistem Geodésico Sistem Geodésico Locl Topocêntrico..... Sistem de Referênci Orbitl.... Equção de Colineridde..... Sistem de Coordends d Imgem..... Sistem d Linh de Vrredur..... Sistem de Coordends d Câmer..... Relção entre Sistem d Câmr e Sistem Terrestre... GEORREFERENCIAMENTO INDIRETO.... Modelos Mtemáticos..... Modelo de Projeção Afim Modelo de Projeção Afim Espço D Modelo de projeção Afim Espço D..... Modelo Projetivo Modelo Projetivo Espço D Modelo Projetivo Espço D Modelo Projetivo Modificdo Espço D... MATERIAIS E MÉTODOS.... Crcterizção d Áre de Estudos.... Mteriis.... Metodologi..... Colet de Coordends de Controle..... Modelos de Trnsformção..... Ajustmento pelo Método dos Mínimos Qudrdos MMQ..... Estimtiv do Erro... RESULTADOS E DISCUSSÕES... 0 CONCLUSÃO... REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... ANEXO A INVERSÃO DOS MODELOS DE TRANSFORMAÇÃO ANEXO B MATRIZ DAS DERIVADAS PARCIAIS DO MODELO INVERSO... 0

7 LISTA DE FIGURAS v Figur 0: Esquem do Efeito Fotoelétrico... Figur 0: Chip CCD... Figur 0: Detectores ( CMOS e (b CCD... 0 Figur 0: Configurção dos rrnjos lineres CCD... Figur 0: Tipos de Sensores... Figur 0: Aquisição de imgem com sensor de vrredur mecânic... Figur 0: Aquisição de imgem com sensor de rrnjo liner.... Figur 0: Intervlo tempo entre mostrs.... Figur 0: Aquisição de imgem com sensor de rrnjo mtricil... Figur 0: Aquisição estéreo o longo d trjetóri... Figur : Stélite QuickBird.... Figur : Atributo de um pixel.... Figur : Imgem digitl pncromátic.... Figur : Imgem digitl colorid.... Figur : Ilustrção d relção entre IFOV, ltur d pltform e distânci focl.... Figur : Resolução Espcil relciond o IFOV... Figur : Efeito d rotção d terr no tempo de quisição d imgem... Figur : Erro devido à esfericidde d terr... Figur : Distorção devido o relevo.... Figur 0: Distorção devido à vrição d ltitude d pltform Figur : Distorções devido à vrição d velocidde... 0 Figur : Distorções devido à titude do sensor... Figur : Fotogrmetri: Ângulos de Euler (ω, φ e κ... Figur : Efeito do tmnho do pixel n direção d linh de vrredur... Figur : Efeito d mudnç ou rotção dos segmentos CCD no plno focl em relção à posição nominl... Figur : Linh de flexão no plno focl... Figur : Sistem de Referênci Celeste.... Figur : Sistem Geodésico... Figur : Sistem Topocêntrico.... Figur 0: Sistem Orbitl e Sistem de Referênci Celeste.... Figur : Órbit Keplerin...

8 vi Figur : Anomli excêntric... Figur : Sistem dextrógiro de coordends d imgem... Figur : Coordends no sistem de imgem... Figur : Sistem d linh de vrredur.... Figur : Sistems de imgem e de linhs de vrredur... Figur : Sistem de coordends d câmer... Figur : Sistems d linh e d câmer... Figur : Trnsformção entre Sistem de Câmer em Sistem de Superfície... Figur 0: Loclizção d Áre de Estudos.... Figur : Coordends de controle no sistem de imgem... Figur : Coordends de controle no sistem geodésico Figur : Trnsformção entre sistems.... Figur : Comportmento dos resíduos ns coluns d imgem... Figur : Comportmento dos resíduos ns linhs d imgem... Figur : Comportmento ds vriâncis posteriori trvés do justmento pelo MMQ... Figur : Comportmento dos resíduos pdronizdos pr s coluns.... Figur : Comportmento dos resíduos pdronizdos pr s linhs.... Figur : Comportmento dos Erros Médios Qudráticos (pixel... Figur 0: Espcilizção do erro trvés do modelo de trnsformção fim D.... Figur : Espcilizção do erro trvés do modelo de trnsformção fim D com ltitude fix.... Figur : Espcilizção do erro trvés do modelo de trnsformção fim D utilizndo MDE.... Figur : Espcilizção do erro trvés do modelo de trnsformção projetiv D... Figur : Espcilizção do erro trvés do modelo de trnsformção projetiv D com ltitude fix... 0 Figur : Espcilizção do erro trvés do modelo de trnsformção projetiv D utilizndo MDE... 0 Figur : Espcilizção do erro trvés do modelo de trnsformção projetiv D modificd com ltitude fix...

9 Figur : Espcilizção do erro trvés do modelo de trnsformção projetiv D modificd utilizndo MDE.... vii

10 LISTA DE TABELAS viii Tbel 0: Crcterístics principis do sensor QuickBird... 0 Tbel 0: Crcterístics principis d órbit do Sistem QuickBird... 0 Tbel 0: Coordends d imgem... 0 Tbel 0: Coordends geodésics no sistem de projeção UTM... Tbel 0: Resíduos clculdos trvés do justmento pelo MMQ.... Tbel 0: Vlores de t tbeldo 0% de confinç... Tbel 0: Sigm zero posteriori clculdo trvés do justmento pelo MMQ.... Tbel 0: Distribuição QuiQudrdo... Tbel 0: Sigm zero posteriori multiplicdo pelo gru de liberdde... Tbel 0: Novos desvios pdrão ds coordends de imgem pr cd modelo testdo.... Tbel : Resíduos Pdronizdos.... Tbel : Vlores d distribuição de Tu tbeldos.... Tbel : RMS Erros Médios Qudráticos (pixel...

11 RESUMO ix MAROTTA, Giulino Snt Ann, M.Sc., Universidde Federl de Viços, Agosto 00. ANÁLISE DE DIFERENTES MODELOS PARA A CORREÇÃO GEOMÉTRICA DE IMAGENS ORBITAIS DE ALTÍSSIMA RESOLUÇÃO. Orientdor: Dlto Domingos Rodrigues. CoOrientdores: Antônio Simões Silv, Crlos Antônio Oliveir Vieir nd Elpídio Inácio Fernndes Filho. Imgens provenientes de sensores orbitis de ltíssim resolução vêm sendo cd vez mis utilizds em diversos trblhos, tis como: confecção de bse de ddos pr uso em Sistem de Informções Geográfics (SIG; tulizção e ou confecção de mps em escls regionis; uxílio no plnejmento e orgnizção do espço em âmbito regionl, municipl e ou urbno; etc. A lt resolução espcil desses sensores permite identificção de muits feições com bo definição, e proporcionm mior fcilidde n colet de pontos pr relizção d correção geométric desss imgens. Porém, devido à lt resolução e possibilidde de se obter resultdos mis precisos n correção geométric, devese ter cuiddo elevdo n obtenção de coordends terrestres de referênci mis preciss e n escolh dos modelos de trnsformção entre sistems de coordends, pois, cso contrário, qulidde dos produtos gerdos pode ser comprometid, um vez que os erros cometidos ns coordends de referênci se propgm pr os produtos derivdos. Conseqüentemente, pr vlir qulidde geométric desss imgens, há necessidde de envolver técnics que evidenciem incertez posicionl devidmente vlid de form espcilizd. O presente trblho tem por objetivo, vlir correção geométric ns coordends de um imgem orbitl de ltíssim resolução, plicndo os seguintes modelos plnos e espciis de trnsformções: modelo de projeção fim, modelo projetivo e modelo projetivo modificdo. Pr determinr os prâmetros que relcionm o sistem de imgem e o sistem terrestre é empregdo o Método dos Mínimos Qudrdos MMQ, trvés do método prmétrico, com finlidde de justr s coordends de imgem, relcionndos diretmente com s coordends homólogs de referênci, utilizndo pontos de controle que se encontrm distribuídos em tod imgem. Com disposição de um bo estimtiv d precisão ds coordends de referênci, qulidde ds coordends de tel (imgem e dos prâmetros de trnsformção pode ser vlid. Posteriormente, relizmse trnsformções inverss pr obter s

12 x coordends de superfície e seus desvios pdrão. Dí, trvés d propgção de vriâncis, gerse um imgem contendo o vlor do erro médio qudrático (RMS, em metros, pr cd pixel d imgem. Consequentemente, de posse dos resultdos obtidos e d nálise d precisão posicionl espcilizd, concluise que o modelo projetivo utilizndo o espço tridimensionl é o mis preciso qundo comprdo com outros modelos presentdos.

13 ABSTRACT xi MAROTTA, Giulino Snt Ann, M.Sc., Universidde Federl de Viços, August 00. ANALYSIS OF DIFFERENT MODELS FOR GEOMETRIC CORRECTION ON VERY HIGH RESOLUTION ORBITAL IMAGE. Adviser: Dlto Domingos Rodrigues. CoAdvisers: Antônio Simões Silv, Crlos Antônio Oliveir Vieir nd Elpídio Inácio Fernndes Filho. Very high resolution orbitl sensor imges re becoming more nd more frequently used for ny number of pplictions: in the construction of dtbses for use in Geogrphic Informtion Systems (GIS; in the cretion nd revision of regionl scle mpping; s support for re plnning nd orgniztion in regionl, municipl nd urbn cpcities; etc. The high sptil resolution of these sensors llows for the identifiction of mny welldefined fetures, nd fcilittes point collection for performing geometric correction on these imges. However, due to this high resolution, nd with the possibility of obtining more ccurte geometric corrections, gret cre should be tken to obtin more ccurte terrestril reference coordintes nd in choosing trnsformtion models between coordinte systems. Otherwise, the qulity of the generted products my be compromised, seeing s the errors committed in reference coordintes will propgte throughout the derivtive products. Consequently, to evlute the geometric qulity of these imges, techniques tht determine their properly ssessed positionl uncertinty sptilly re required. The objective of the present work is to evlute geometric corrections in the coordintes of very high resolution orbitl imge, pplying the following plnr nd sptil trnsformtion models: ffine projection, projective nd modified projective. To determine prmeters tht correlte the imge nd terrestril systems, the Method of Lest Squres ws employed, using the prmetric model, with the purpose of djusting imge coordintes, relting these directly with homologous reference coordintes using control points tht re found distributed through the imge. With good precision estimtes vilble for the reference coordintes, the qulity of screen (imge coordintes nd trnsformtion prmeters cn be evluted. Inverse trnsformtions were subsequently mde to obtin surfce coordintes nd their stndrd devitions. From this, using propgtion of vrince, n imge contining the root men squre (RMS error vlue in meters for ech pixel ws generted. With the obtined results nd the sptil

14 positionl ccurcy nlysis, it ws concluded tht the threedimensionl spce projective model is the most ccurte of the vrious models presented. xii

15 INTRODUÇÃO Imgens provenientes de sensores orbitis de ltíssim resolução vêm sendo cd vez mis utilizds com diversos objetivos, tis como: confecção de bse de ddos pr Sistem de Informções Geográfics SIG; tulizção e ou confecção de mps em médis escls; uxílio no plnejmento e orgnizção do espço em âmbito regionl, municipl e ou urbno, etc. A lt resolução espcil ds imgens permite identificção de um mior vriedde de feições por unidde de áre, crretndo grnde dificuldde de extrção desss informções de form utomtizd devido à lt vribilidde de níveis de cinz, gerndo confusão n identificção de feições qundo utilizdo clssificdores computcionis, contudo, lt resolução permite identificção visul de feições com bo definição. As imgens orbitis provenientes de sensores orbitis, ssim como s fotogrfis éres, sofrem diverss distorções geométrics, que degrdm precisão de informções espciis extríds d imgem. Conseqüentemente, pr melhorr qulidde ds informções espciis de imgens orbitis, tornse necessári correção ds distorções geométrics trvés de modelos mtemáticos que representem de form fiel o comportmento desss distorções no universo tridimensionl. Segundo Pedro (00, nos últimos nos vários modelos mtemáticos têm sido formuldos pr extrir informções D e gerr ortoimgens de sensores remotos que utilizm sensores CCD Chrge Coupled Device. Modelos mtemáticos têm sido desenvolvidos usndo o conhecimento de informções do sensor e modificndo equções de colineridde, e em lguns csos, incluindo prâmetros pr modelgem de erros e orientção interior ou clibrção em órbit, ou ind incorporndo informções orbitis. (BALTSAVIAS et l., 00. Há um número considerável de modelos bsedos em equções de colineridde que form formuldos trdicionlmente pr execução d trnsformção fotogrmétric do espço imgem pr o espço objeto, incluindo modelo polinomil, interpolção d grde e modelos de funções rcionis RPCs. (FRASER et l., 00.

16 Os modelos de funções rcionis ou o modelo polinomil rcionl d câmer são clculdos por prâmetros denomindos RPCs (Rcionl Polinomil Coeficientes. Estes prâmetros, gerlmente, são fornecidos juntmente com imgem, como é o cso de lguns produtos comercilizdos provenientes do sensor Ikonos e QuickBird. Contudo, qundo não se possui s informções RPCs, tornse necessário recorrer à outros modelos derivdos d equção de colineridde n tenttiv de corrigir o máximo s distorções inerentes à imgem orbitl. Dentre outros modelos normlmente empregdos nos softwres estão os modelos de projeção fim, projetivo e projetivo modificdo. Contudo, sej qul for o modelo empregdo, é necessário vlir qulidde ds observções, dos prâmetros e imgens corrigids geometricmente. Neste contexto, são presentds s justifictivs e s hipóteses d pesquis, dotndose os objetivos geris e específicos d dissertção, descritos seguir:. ustifictiv e Hipóteses de Pesquis A ltíssim resolução ds imgens orbitis possibilit extrir mior quntidde de informções com mior qulidde, pois, lt resolução rdiométric e espcil proporcion o nlist melhor identificção visul de feições devido mior vrição intensidde de brilho diferencindo os objetos em um menor quntidde de áre. Um ds questões básics que limit o uso de imgens de stélites são s distorções inerentes à tomd d cen pelo sensor, um vez que instbilidde do stélite em su órbit, geometri de visd n quisição d imgem e vrição d ltitude dos objetos cptdos pelo sensor, degrdm precisão posicionl dos objetos registrdos n imgem. Pr plicções em gerção de bses crtográfics, há um grnde quntidde de modelos cpzes de corrigir s deformções posicionis dos diferentes objetos n imgem, contudo, flt de informções como s efemérides responsáveis pel determinção ds crcterístics físics d

17 órbit do stélite, no momento de tomd d cen, torn correção geométric um processo trblhoso e proximdo, no que se refere à qulidde posicionl. Neste contexto, o presente trblho propõe correções geométrics em imgens usndo trnsformções geométrics que envolvem o espço tridimensionl, trvés do modelo de projeção fim, modelo projetivo e modelo projetivo modificdo. Processndo os ddos, com os diferentes modelos e empregndo o Método dos Mínimos Qudrdos MMQ, trvés do método prmétrico, são estimdos os prâmetros de trnsformção entre os sistems de tel e terrestre, juntmente com seus desvios pdrão, prtir dos quis estimse incertez posicionl d imgem de form espcilizd. Com isto, este trblho pretende vlidr hipótese de que simplificção d equção de colineridde present perd de informção considerável, que pode ser propgd, bem como pode ser representd de form espcilizd em tod imgem corrigid geometricmente. Pr vlidr est hipótese, serão explords lgums pergunts específics pr pesquis: A simplificção d equção de colineridde n obtenção do modelo de trnsformção projetiv e fim represent lgum perd de informção considerável no processo de trnsformção geométric pr imgens orbitis de lt resolução? Seri possível, trvés dos prâmetros d órbit do stélite justdos, melhorr de form considerável os resultdos d correção geométric d imgem qundo comprdos com os outros métodos propostos? Seri viável usr Lei de propgção de vriâncis trvés de coordends de controle n estimtiv d incertez posicionl de form espcilizd n imgem? É possível corrigir geometricmente imgens de lt resolução e representr espcilmente incertez posicionl ds mesms?. Objetivos O presente trblho tem por objetivo, vlir s incertezs gerds no processo de correção geométric ns coordends bidimensionis de um imgem QuickBird, plicndo os seguintes modelos, plnos e espciis, de

18 trnsformções geométrics: modelo de projeção fim, modelo projetivo e modelo projetivo modificdo. Dispondo de um bo estimtiv d precisão ds coordends terrestres, pretendese estimr qulidde ds coordends de tel, medids com o softwre Erds Imgine., e dos prâmetros de trnsformção. Posteriormente, obter s coordends de mp, de pontos d imgem, e seus desvios pdrão. Dí, gerr um imgem contendo o vlor do erro médio qudrático (RMS, em metros, pr cd pixel d imgem.. Orgnizção d Dissertção Dos ssuntos borddos e trtdos, est dissertção é dividid em oito cpítulos cuj orgnizção é descrit seguir: O cpítulo present introdução dos ssuntos serem borddos, envolvendo s justifictivs, hipótese e questões presentds. No cpítulo é desenvolvido um estudo sobre imgens orbitis, onde são presentds s diferentes crcterístics de detecção de imgem bem como s distorções inerentes ests, englobndo os sensores digitis, o tipo de tomd d imgem, diferentes tipos de pltforms e o sensor utilizdo como objeto de estudos. O cpítulo demonstr o processo de trnsformção entre sistem de coordends de imgem e sistem de coordends terrestres, em imgens digitis, orbitis e/ou erotrnsportds, trvés do georreferencimento direto, descrevendo s fses de clibrção do sensor, d integrção de sistems de orientção, como o de posicionmento por stélites e sensores inerciis com o sensor de imgem, enftizndo obtenção de prâmetros de orientção exterior prtir de efemérides e relção entre diferentes sistems de referênci. No cpítulo é descrit form de correção geométric de imgens provenientes de sensores digitis trvés do georreferencimento indireto, onde são demonstrdos os diferentes modelos mtemáticos responsáveis pels trnsformções entre sistems juntmente com sus crcterístics. A prtir do cpítulo, são relizdos os experimentos propostos neste trblho, empregndo um metodologi que busc vlidção ds hipóteses. Neste cpítulo é enftizdo o georreferencimento indireto e trnsformção

19 entre sistems, com objetivo de proximr ssuntos de geodési os de sensorimento remoto, trvés de trnsformção e propgção ds precisões entre sistems de referênci. No cpítulo são demonstrdos os resultdos lcnçdos prtir d metodologi empregd juntmente com s nálises e discussões. Atrvés ds nálises relizds, houve possibilidde de perceber o comportmento dos diversos modelos mtemáticos testdos, e consequentemente identificção dos modelos mis eficientes n trnsformção entre sistems. No cpítulo são confrontds s hipóteses proposts com os resultdos lcnçdos, visndo o tendimento dos objetivos e consolidção d metodologi empregd neste trblho.

20 IMAGENS ORBITAIS E SUAS CARACTERÍSTICAS Imgens provenientes de sensores orbitis possuem diferentes crcterístics de cordo com o tipo de sensor utilizdo, form de cptção, form de quisição, s distorções inerentes às diferentes forms de quisição, e o sistem de coordends utilizdo, considerdos ns subseções seguir.. Sensores Digitis Os sistems sensores são sistems fotográficos ou ópticoeletrônicos cpzes de detectr e registrr, sob form de imgens ou não, o fluxo de energi rdinte refletido ou emitido por objetos distntes. De cordo com Rued et l. (00, sensores digitis são formdos por fotodetectores, que por su vez são dispositivos (semicondutores cpzes de converter luz em um sinl elétrico e que funcionm bsedos n fotocondutividde. Qundo o fluxo luminoso incide sobre o mteril semicondutor, os fótons podem fornecer os elétrons d superfície do mteril, energi suficiente pr produzir ruptur ds ligções covlentes, ou sej, ruptur d ligção químic formd pelo comprtilhmento de um pr de elétrons entre dois átomos... Efeito FotoElétrico Efeito fotoelétrico é definido pel emissão de elétrons provocd pel incidênci de rdição eletromgnétic sobre lgum mteril, onde incidênci de fótons crret n emissão de elétrons por prte d mtéri devido à ção d luz. De cordo com Moure (00, o efeito fotoelétrico, ocorre qundo o fóton gm colide com um elétron ligdo um átomo e tod su energi é trnsferid pr este elétron (há de se considerr energi de ligção do elétron o átomo.

21 Segundo Silv (00 e Crneiro r. (00, no efeito fotoelétrico rdição gm trnsfere tod su energi do fóton um único elétron orbitl, que é expelido com um energi cinétic Ec. Pel ilustrção n Figur 0, verificse que o fóton com energi h f incide sobre um elétron ligdo um átomo que bsorve su energi e é, em seguid, expulso com energi cinétic Ec, que é diferenç entre energi do fóton incidente e energi de ligção do elétron Be, Equção (, Figur 0: Esquem do Efeito Fotoelétrico. Fonte: CARNEIRO R. (00 Ec h f Be ( onde h f é energi do fóton incidente (h é constnte de Plnck, f é freqüênci d rdição e Be é energi de ligção do elétron orbitl, tmbém chmd de chmd função trblho do metl (energi necessári pr rrncr um fotoelétron. Qundo energi do fóton é menor do que função trblho, nenhum elétron é rrncdo e, por isso, nenhum corrente é observd. Ao umentr intensidde, não se lter máxim energi cinétic que um elétron rrncdo pode ter, pois energi cinétic, de cordo com Equção (, depende d freqüênci d luz incidente, ou sej, d energi (número de oscilções por unidde de tempo e não d quntidde dos fótons incidentes. Conseqüentemente, os elétrons libertmse mis fcilmente de metis que qundo expostos um rdição eletromgnétic de freqüênci elevd, dependendo est de cd mteril, e intensidde de rdição incidente um freqüênci elevd crret em um mior número de elétrons libertdos d superfície condutor.

22 Segundo Silv (00 e Crneiro r. (00, pr lts energis (cim de megeletron volt MeV, probbilidde do fotoelétron ser liberdo é lt; pr bixs energis (bixo de 0 quiloeletron volt kev mior probbilidde é de sir com um ângulo de 0. Isto devido ção dos cmpos elétrico e mgnético que, vrindo n direção perpendiculr do fóton, exercem forç sobre o elétron n direção de 0º, e se compõe com o momento ngulr do elétron. O resultdo dess interção é expulsão do elétron pelo átomo. A energi cinétic e trjetóri do elétron são determinds prtir de um distribuição de probbiliddes qul depende d energi inicil do fóton gm e do estdo quântico do elétron. Posteriormente, o átomo voltrá o estdo nturl trvés do rejuste ds sus cmds eletrônics e, neste processo, poderá emitir outros elétrons, riosx crcterísticos ou ind luz visível (MOURE, Sensores CCD e CMOS Pentroni (00 diz que imgens digitis podem ser gerds trvés de sensores de estdo sólido, que são discretizdos e denomindos de photosites, bsedos no efeitofotoelétrico, nos quis há liberção de elétrons do mteril de cordo com energi d ond incidente, gerndo um diferenç de potencil. De cordo com Gupt (, os sensores digitis de imgemento são dispositivos que registrm vrição espcil do brilho de um áre num conjunto de ddos em dus dimensões. São compostos de sistems ópticos, que filtrm energi emitid e refletid pelos objetos e por detectores, que detectm e produzem um sinl elétrico, que é quntificdo em níveis, segundo intensidde do sinl, onde esses níveis são chmdos de DN s (Digitl Numbers. Segundo Tommselli et l. (000, os sensores digitis são constituídos bsicmente por um sistem de lentes, um ou mis chips (pstilh de componentes eletrônicos miniturizdos montd sobre um plc de circuito impresso e que execut funções específics de processmento com detectores CCD, processdores e memóri pr rmzenmento, ou sej,

23 trtse de um pequeno computdor, possuindo cpcidde de processmento e comunicção. Os CCDs, Figur 0, são dispositivos eletrônicos feitos de silício, cpz de trnsformr um luz pdrão em um crg elétric pdrão (um imgem eletrônic utilizndo os princípios do efeito fotoelétrico. Estes dispositivos são usdos como trnsdutores de imgem, cpz de trnsformr um form de energi em outr e são constituídos por vários elementos fotossensíveis que têm cpcidde de cptr, rmzenr e trnsportr crg elétric de um elemento pr outro. Os sensores CCDs são fbricdos sob o formto de um conjunto liner ou bidimensionl (mtricil de céluls. Segundo Poli (00, qundo rdição interge com um CCD durnte um curto intervlo de tempo, s crgs eletrônics se desenvolvem com um mgnitude proporcionl à intensidde d rdição. Em seguid, crg é mplificd e trnsferid pr o registrdor de leitur. Cd elemento fotossensível então represent um elemento imgem (pixel. Os chips, de 000 mis de 0000 elementos detectores, podem ocupr espço liner inferior centímetros de comprimento. Com tecnologis de semicondutores e desenho ordendo, s estruturs que formm linhs ou mtrizes de pixels são feits. Figur 0: Chip CCD. Fonte: Digitl Photogrphy Review Aind de cordo com Poli (00, um outr tecnologi mis recentemente crid e que vem gnhndo interesse considerável é bsed em sensores CMOS (Complementry MetlOxide Semiconductor, Figur 0. Os detectores CMOS, operm um tensão mis bix do que CCDs, reduzindo o consumo de energi e vibilizndo plicções portáteis. Cd pixel

24 do sensor de célul tiv CMOS tem seu próprio mplificdor, Figur 0, e pode relizr leiturs individulmente; já os detectores CCDs, Figur 0 b, os pixels do sensor são orgnizdos em conjuntos e cd conjunto possui um mplificdor. Amplificdor (b ( Amplificdores Figur 0: Detectores ( CMOS e (b CCD. Fonte: POLI (00 A tecnologi CMOS é vntjos pr quisição de cor e flss cores em imgens. N relidde um ds principis diferençs entre CCD e de tecnologi CMOS é gerção de imgens colorids. Com chips CCD, diferentes técnics podem ser usds pr obter imgens colorids, como utilizção de um processo de interpolção utilizndo filtros de cor o longo d mtriz de detectores, ou o emprego de múltipls câmers digitis, cd um com grvção de um fix espectrl específic fim de fzer composição finl d imgem colorid ou imgem de fls cor produzid pelo processmento de imgem. No entnto, estes processos ou fetm qulidde d imgem resultnte ou possuem um custo muito lto... Arrnjos de CCDs Os chips CCDs podem ser disponibilizdos em rrnjo mtricil ou rrnjo liner, que por su vez, possui crcterístics específics qunto form com que imgens são detectds.... Arrnjo Liner 0

25 Os sensores lineres são constituídos de um rrnjo liner de detectores do tipo CCD colocdo no plno focl de um sistem de lentes e imgem de cd linh é formd prtir de um processo dinâmico cd intervlo de tempo. Este tipo sensor é encontrdo nos stélites IKONOS, QuickBird, SPOT, CBERS, etc. (SCALCO, 00. De cordo com configurção dos sensores de rrnjo liner, qunto à form, podese clssificr em Figur 0: Chips colocdos o longo de um únic linh, Figur 0. O número de elementos sensores n linh não é constnte e depende d lrgur d fix desejd. Segundo Poli (00 o número máximo de elementos disponibilizdos em um único segmento, té quel dt, er 00. b Um linh constituíd por dois ou mis segmentos, Figur 0b. Este é o cso do QuickBird, que utiliz três rrnjos lineres com 000 elementos cd pr formr um linh com 000 elementos. c Dois segmentos CCD colocdos em prlelo, Figur 0 c. Est concepção é usd pr umentr resolução d imgem depois de um pósprocessmento. Est é configurção dotd pelo sensor HRG SPOT. d Outrs concepções são possíveis. Por exemplo, Figur 0d mostr um combinção de três segmentos CCD chmdos CCD, CCD e CCD cd um com 0 elementos, sendo que entre o CCD e o CCD há um sobreposição de pixels e entre o CCD e o CCD de pixels. Est configurção é utilizd pelo IRSC/D. ( (b (c CCDs CCDs CCDs (d CCD CCD CCD Figur 0: Configurção dos rrnjos lineres CCD.

26 Segundo Poli (00, mior prte dos sensores de rrnjo liner utiliz s configurções ( e (b. Segundo Tommselli et l. (000 um tipo de sensor de rrnjo liner é o scnner triliner, que é um sistem bsedo no uso de três sensores lineres simultnemente. Cd um destes sensores registr um fix do terreno, sendo um fix n direção ndir, um à frente e outr pr trás. Com o deslocmento d eronve e quisição contínu, cd porção d superfície é imged três vezes, o que é importnte em termos de recuperção d posição tridimensionl.... Arrnjo Mtricil Sclco (00 referese os sensores mtriciis como sensores constituídos por um rrnjo mtricil de detectores CCD onde tod cen é cpturd em um único instnte. O rrnjo mtricil é composto por chips que estão posiciondos em um mtriz de form retngulr regulr. As imgens são dquirids trvés de um projeção centrl, como no cso de câmers de filme. Poli (00 sugeriu um clssificção em função do tmnho d mtriz, que é o ftor mis importnte que control dequção, disponibilidde e utilizção de câmers digitis no cmpo d crtogrfi ére. As câmers de crtogrfi ére podem ser diferencids de cordo com o formto, ou sej, de cordo com o número de pixels que compõem um imgem.. Tomds ds Imgens A quisição dos sinis responsáveis pel formção ds imgens se dá pós interção d energi eletromgnétic com os objetos d superfície terrestre. Est energi cminh de form senoidl, em form de onds, n velocidde d luz e num certo comprimento de ond, té o sensor. A fonte de energi é diferencid qunto o tipo de sensor, podendo ser pssivo ou tivo (Figur 0. Nos sensores tivos, energi detectd é origind do próprio sensor, que emite energi, que interge com os objetos

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