ELABORAÇÃO REALCES DE CONTRASTE, COMPOSIÇÃO DE IMAGENS E MAPAS FINAIS APARTIR DE UMA IMAGEM DE SATÉLITE LANDSAT-ILHA DO FOGO

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1 ELABORAÇÃO REALCES DE CONTRASTE, COMPOSIÇÃO DE IMAGENS E MAPAS FINAIS APARTIR DE UMA IMAGEM DE SATÉLITE LANDSAT-ILHA DO FOGO Trabalho realizado no âmbito da Cadeira de Aquisição e Edição de Dados Geográficos leccionada pelo professor Zé rui Peladyo Mestrado em Sistema de Informação Geográfica e Ordenamento do Território Elaborado Por: Patrick Flávio Pina da Silva 1

2 ÍNDICE: Introdução 3 Localização da área de estudo.3 Objectivo Geral..5 Objectivos Específicos...5 Metodologias e opções Tomadas...5 Descrição de passos específicos.7 Interpretação e comparação de resultados 8 Considerações Finais..12 Anexos.13 2

3 RELATÓRIO DE REALCE DE CONTRASTE E CONSTRUÇÃO DE ÍNDICES Introdução: No âmbito da Cadeira de leccionada pelo Professor Zé Rui Paladyo, no Curso de Mestrado em Sistemas de Informação Geográfica e Ordenamento do Território, na Faculdade de letras da Universidade do Porto, foi-me incumbido de realizar um trabalho em que consiste basicamente no processamento/composição de imagens do satélite Landsat 5. ÁREA DE ESTUDO: Ilha do Fogo Cabo Verde - escolheu esta área por vários motivos, destacando dois: é a minha ilha natal, onde conheço bem a realidade natural e social o que seria certamente mais-valia, uma vez que facilita a interpretação e maior compreensão e distinção dos usos do solo (para quem trabalha com imagem e sempre bom ter um conhecimento prévio da área de estudo), mas também mostrar que a detecção remota para a além de escalas globais e regionais, pode ser trabalhado a nível Local (depende da resolução espacial). Um outro motivo é que sendo a ilha muito diversificada em termos de uso do solo, os resultados seriam mais fácil interpretação e mais encorajados. LOCALIZAÇÃO GEOGRÁFICA DA ÁREA DE ESTUDO: Cabo Verde encontra se localizada na costa ocidental africana, pertencendo a faixa saheliana, é um arquipélago constituído por dez ilhas que vai desde Santo Antão, São Vicente, Santa Luzia, São Nicolau, Sal e Boavista que pertencem ao grupo chamado de ilhas chamado de barlavento até Maio, Santiago, Fogo e Brava que pertencem ao grupo de Sotavento, associam-se a estas ainda um conjunto de ilhéus que deste sempre as pertenceu. A ilha do Fogo é uma das ilhas mais montanhosas de Cabo verde e apresenta fortes potencialidades agrícolas sobretudo na parte norte da ilha que é influenciado pelos ventos húmidos. Tem um majestoso Vulcão que constitui o ponto mais alto de Cabo Verde que é circundada por uma enorme bordeira denominado de serra. Essa 3

4 morfologia muitas vezes condiciona o clima da parte sul da ilha pelo efeito de Fohen. Fig. 1 Localização geográfica da ilha do Fogo Fig.2 geomorfologia da ilha do Fogo 4

5 OBJECTIVO GERAL: Elaborar cartas que incluem realce e composição de imagem de Satélite Landsat 5 (de uma área especifica), e desenvolver um relatório que explica as metodologias tomadas para cada opção. OBJECTIVOS ESPECÍFICOS: Baixar uma imagem de uma área especifica na Internet (ilha do Fogo Cabo Verde), para poder fazer o posterior realce e composição. Elaborar uma carta incluindo quatro (4) layout, uma pancromática, outra de composição de cor real, composição falsa -532 e por último 432 que realça a vegetação. Calcular o NDVI e o índice de vegetação na área de estudo, exportando o resultado para duas cartas-imagem Desenvolver um relatório que basicamente compara os resultados obtidos entre as metodologias. METODOLOGIAS E OPÇÕES TOMADAS: Em termos metodológicos gerais, o que se refere ao realce de contraste e composição de imagens em si e operações entre bandas, convém aqui referir que foi utilizado dois softwares Spring para a composição e realce de contraste para a imagem pancromática da banda 8 do satélite Landsat, mas também para a composição verdadeira (cor real) 321 (RGB), e para as composições falsas 532( Landsat) e 432 para o realce da vegetação (Composição falsa). Para o cálculo de índice do NDVI e construção de mapas em si (layout) foi utilizado o ArcGis Mas claro que antes disso, a imagens de satélites teriam que ser baixadas, neste caso no Site (http://glcfapp.glcf.umd.edu:8080/esdi/) e estas já vieram ortorectificadas. A preferência do Spring em detrimento do ArcGis para o processamento e realce de contraste é justificada pelo facto do Spring possuir maior rigorosidade e detalhes para efectuar esse processo e os resultados são muitos melhor do que do ArcGis, 5

6 mas também por motivos pessoais e profissionais, uma vez que o Spring em um software livre (embora não ser das melhores em matéria de processamento de imagens) e o ArcGis é um software muito dispendioso em termos de custo, sendo cabo verde um país subdesenvolvido convém aproveitar dos softwares livres. Seria bom ainda referir, que todas as imagens utilizadas ou processadas sofreram um realce de contraste para melhor poder observar detalhes na informação incorporada, ou seja usa-se para melhorar o aspecto visual de certas feições estruturais para o analista humano e para fornecer outros subsídios para a sua interpretação. Sem a tal realce de contraste a interpretação das imagens muitas vezes pode ser errónea, uma vez que esta visa a identificação e discriminação dos alvos de interesse e depende principalmente da qualidade da representação dos dados contidos nas imagens. Na verdade essa não constitui o processamento de imagens, mas sim uma das fases (realce) do processamento, uma vez que aquela inclui pré-processamento, realce e classificação. Fig. 3- Exemplo de realce de Contraste: De uma forma mais particularizada, na imagem pancromática pelo facto de ter só uma banda e óbvio que o realce também é feito somente nessa única banda, já nos outros como são do modelo RGB (composição colorida este realce foi feito em cada uma das bandas particularmente (Red, Green, Blue). 6

7 DESCRIÇÃO DOS PASSOS ESPECÍFICOS: Spring: Foi criado uma pasta ou directório no disco do computador onde toda a informação relativamente ao projecto iria ficar guardada inclusive as imagens de satélites baixadas e claro depois abrir o programa, indicar o directório. E de seguida ir a Ficheiro> importar os dados vectoriais e matriciais e partir dali começar já o processo de selecção das bandas onde se quer realizar as composições e realces posterior. É de extrema importância saber que o RGB corresponde as bandas 321 do satélite Landsat, para poder entender os processos e opções posteriores e que também o Spring possui opções de Monocromática e R G B particularizadas. Em relação á primeira imagem, a pancromática e de referir que sendo a banda 8 do satélite Landsat uma banda pancromática era relativamente mais fácil do que os outros: colocar no modo monocromático já que se trata de uma única banda e depois ir nas suas propriedades e manipular o seu histograma uma vez que os níveis de cinzas estavam mal distribuídos era preciso um ajuste para que a imagem aparecesse mais nítida e mais realçada o que possibilita distinção e discriminação melhor do que a anterior, que não é nada mais, nada menos do que uma simples transferência radiométrica de cada pixel e uma forma equilibrada. Para as outras nomeadamente as de composição colorida 321 (RGB), 532 (infravermelho médio, vermelho e verde), e a 432 (infravermelho próximo, vermelho e verde), foram basicamente um pouco diferentes já que necessitavam de um realce para as três banda de cada imagem, mas o processo não era muito diferente. ArcGis Já o NDVI (Índice de Vegetação por Diferença Normalizada) foi feito no ArcGis10.1, uma vez que em termos de operações aritméticas é mais viável do que o Spring. Este índice é muito utilizado para questões ambientais, principalmente quando se queira fazer análise da cobertura vegetal. Sua geração se dá pela diferença entre a reflectância do infravermelho próximo (IVP) e a reflectância do vermelho (V), dividida, respectivamente, pela soma das duas reflectâncias Essa equação gera um índice que varia de -1 a 1. 7

8 Quanto maior o valor do índice maior a presença de vegetação, sendo assim neste caso especifico o resultado foi de -0,37585 para o valor mais baixo e 0, para o valor mais elevado. A técnica especifica foi o seguinte, introduzir as bandas 3 e 4 do Landsat no ArcGis, que tinham como sistemas de coordenadas WGS84_UTM_zona_26 e no Arctollbox> navegando até a ferramenta Raster Calculator, e nessa janela de processamento tem a opção Float (ao lado), que é crucial inseri-la para que os valores variam de -1 a 1. Click Float (banda 4 banda 3) e depois dividir essa para o Float (banda4 + banda3), conforme a formula do índice. Depois disso é necessário visualizar e manipular o histograma para a posterior melhoramento na visualização e descriminação dos elementos ou atributos, e logo de seguida activar a opção custom,, mas podia ser com o Minimum-Maximum, que muito idêntica a manipulação da curva linear, o sistema calcula o valor de nível de cinza mínimo e máximo que é ocupado pela imagem original. INTERPRETAÇÃO E COMPARAÇÃO DOS RESULTADOS OBTIDOS: Pancromática: Esta imagem antes de ter o realce aparecia, com poucos detalhes porque não realçava nada praticamente, o que aparecia era simplesmente varia do nível de cinza (NC), com o realce já se consegue descriminar alguma coisa melhor, uma vez que a primeira imagem (antes de realce) era relativamente escura uma vez que no histograma os pixéis encontravam se distribuídos de forma irregular e concentrado sobretudo para os níveis mais baixo, e com o tal realce os níveis de cinzas ficaram com melhor distribuição e obviamente a imagem mais clara, destacando as nuvens e o solo e de certa forma consegue ver os espaços urbanos num branco menos denso do que as nuvens e as lavas( ), enfim consegue ter uma noção dos atributos dessa área. Composição de Cor real: Essa composição define mais ou menos a cor real dos elementos da imagem, sendo assim a verde representa a vegetação de uma forma geral, mas no entanto destaca-se a variação de um verde mais forte representando neste caso a vegetação mais densa á norte da ilha e um mais leve representando as 8

9 áreas onde vegetação já se torna mais dispersa, dando assim uma noção de raridade e se calhar com insuficiência de água nesta regiões mais a sul da ilha. O solo nu aparece sobretudo acastanhado na bordeira mostrando e na região sul da ilha sendo algumas áreas, mais acastanhadas de que outras que talvez seja pela idade da rocha ou mesmo inexistência de vegetação. As nuvens aparecem a branco reflectindo mais ou menos ao redor da Bordeira do Vulcão e o Mar/água aparece a azul o que mostra que de facto essa composição é verdadeira ou seja de cor real, visto que os elementos da imagem reflectem aparentemente nas suas cores reais. Composição Falsa 532: Os resultados obtidos apontam que, este realça mais a vegetação do que os outros usos do solo (elementos presentes), reflectindo assim a vegetação mais densa no infravermelho que neste caso é o vermelho mais denso e a vegetação menos densa já a vermelho, variando assim de um vermelho claro ao vermelho escuro. O solo urbano ou espaços edificados aparecem sobretudo num azul esbranquiçado ou quase branco, e as nuvens já não aparecem tão realçadas como da composição anterior (cor real) agora aparecem menos branca (branco borrado). A água/mar aparece num tom azul/preto, aparecendo num azul mais carregado mais a sudoeste da ilha praticamente perto da cidade São Filipe, o que deve ser por efeitos de um porto marítimo que existe ali (derrame de combustíveis). O solo nu aparece ainda num branco menos carregado do que as nuvens, ou seja numa posição intermediária entre solo edificado e nuvens. As áreas próximas do Vulcão, ou seja de lavas relativamente recentes aparecem num mais preto do que um azul diferenciando assim das rochas mais antigas ao longo do cume da bordeira No fundo realça melhor a vegetação deixando uma certa confusão entre as outras entidades. 9

10 Composição colorida falsa 432: Muito utilizado para realçar vegetação, neste caso esta aparece numa variação dum vermelho muito denso, representando maior concentração da vegetação, ao um vermelho claro destacando assim vegetação fraca ou dispersa. O solo nu ali é apresentado por duas tonalidades diferentes uma mais acinzentada no sul da ilha, onde quer dizer que há alguma vegetação rasteira dispersa e continua, não suficiente para reflectir no vermelho, ao contrário de um solo completamente nu que está nas proximidades do vulcão do Fogo, sobretudo na parte central e nordeste da ilha exibidos num preto esverdeado, salientando assim as linhas de água mais do que as outras composições geradas anteriormente. Fig.4 - Comparação de quadro imagens de composições diferentes 1- Pancromática 2- Composição de Cor real 3- Composição colorida 532 e 4- composição colorida (falsa)

11 Em relação ao NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) ou IVDN (Índice de Vegetação por Diferença Normalizada) elaborado/processado, o que pode constatar-se é que a vegetação aparece muito mais destacado do que nas outras composições principalmente a 432 que é também um índice de realce da vegetação. Esta ferramenta de contraste faz com que as áreas com uma composição vegetal mais densa e uniforme se apresente mais clara e as regiões desnudas sem a presença de vegetação ou seja que provavelmente tem um défice hídrico, e está difere das outras pelas discriminações apresentados tanto na variação do nível de cinza como também na composição colorida. Poderia aplicar-se um novo índice de realce da vegetação da banda 4 banda 3, do satélite Landsat, mas como já se tinha feito a composição colorida 432 que também realça a vegetação, foi-se aproveitar dessa para estabelecer a comparação com o NDVI. A figura a seguir mostra as principais diferenças em termos de discriminação de objectos ou entidades, mas no entanto, é de referir que esta imagem de NDVI gerada tem uma classe apresentada a preto, ali quer dizer que o índice é muito baixo. Pode aparecer muito estranho que o superfície marítima aparece com uma cor preta também igualmente com a zona central, mas de facto deve ser que esta contém algumas algas ou fitoplâncton que também têm Fotossíntese, o que mostra o grau de discriminação do NDVI em relação as outras composições.(ver também anexo NDVI - NC) 11

12 Fig.5 Comparação de dois índices de Vegetação a esquerda composição 432 e a direita o índice NDVI. CONSIDERAÇÕES FINAIS: Resumindo e concluído pode-se afirmar que os objectivos traçados inicialmente foram alcançados na sua íntegra, uma vez que pelo conhecimento prévio tido sobre a ilha os realces estão de acordo com a realidade, sendo a ilha mais húmida da parte norte e muito árida na parte sul. Cada composição tem a sua vantagem e importância quando realça algo que noutras composições apresentam maior dificuldade na discriminação ou distinção como por exemplo na composição da banda pancromática o que se distinguia basicamente era lavas vulcânicas recentes e nuvens (que não tem significado no uso do solo) e as outras entidades normalmente não são assim discriminadas, enquanto que a partir da cor real a discriminação aumenta gradativamente para o nível de enfoque diferente. Não se compara resultados da pancromática e cor real com a composição falsa de realce 12

13 da vegetação 432, uma vez que o objectivo deste foca sobretudo na nessa entidade (vegetação). Mais um aspecto a destacar é a grande discriminação dos objectos no índice NDVI, destacando assim a sua importância e vantagem para o realce da vegetação. Anexos 13

14 Características do Satélite Landsat 5 - TM Sensor Bandas Espectrais Resolução Espectral Resolução Espacial Resolução Temporal Área Imageada Resolução Radiométrica (B1) AZUL µm (B2) VERDE µm TM (Thematic Mapper) (B3) VERMELHO µm (B4) INFRAVERMELHO PRÓXIMO µm 30 m 16 dias 185 km 8 bits (B5) INFRAVERMELHO MÉDIO µm (B6) INFRAVERMELHO TERMAL µm 120 m (B7) INFRAVERMELHO MÉDIO µm 30 m Imagem Baixada: em 02 de Dezembro de 2012 no site Satellite: LANDSAT 5-TM (Thematic Mapper) Resolução espacial: 1,2,3,4,5 e 7-30 metros banda 6-60 metros e banda 8- pancromática-15metros ID: WRS: P/R: 2, Path 210, Row 050 Producer: Earthsat Attr. : Ortho, Geocover Type: Geotiff Time: 01:33 p.m Location: Cape Verde Status: Online: Compressed Size: 198 MB, Actual Size: 556MB 14

15 Anexo

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