FILTROS PARA EXTRAÇÃO DE BORDAS: UM ESTUDO PRELIMINAR PARA A ÁREA DO RESERVATÓRIO DE ITAPARICA

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1 FILTROS PARA EXTRAÇÃO DE BORDAS: UM ESTUDO PRELIMINAR PARA A ÁREA DO RESERVATÓRIO DE ITAPARICA Alexandre Normande Guillou 1, João Rodrigues Tavares Júnior 2, Ana Lúcia Bezerra Candeias 3 1 Eng. Agrimensor, Mestrando em Ciências Geodésicas e Tecnologias de Goinfomação, UFPE, Recife-PE, 2 Professor do Depto. de Cartografia, UFPE, Recife-PE, 3 Professora do Depto. de Cartografia, UFPE, Recife-PE, RESUMO: A detecção de bordas é um processamento importante na análise de imagens digitais, contando com uma grande variedade de algoritmos. Tem como principal função fornecer informações correspondentes com a descontinuidade das propriedades do objeto da imagem. Neste trabalho, foi utilizado o recorte de uma imagem do sensor TM Landsat-8 (OLI) do reservatório de Itaparica localizado na divisa entre os estados de Pernambuco e Bahia. Em seguida foram aplicados os filtros de Roberts, Sobel, Prewitt e Canny no ambiente MATLAB e gerados os resultados. Observou-se que os três primeiros geram resultados semelhantes na área de estudo e que o Canny apresentou mais bordas e também uma suavização dos contornos. PALAVRAS-CHAVE: Detecção de bordas, Processamento de Imagens, Landsat-8. INTRODUÇÃO: No Brasil, devido a grande quantidade de rios e a busca por energias renováveis, a energia hidráulica aparece como principal produtora do país, chegando a suprir 85,6% de energia em todo o território nacional (ANEEL, 2008). Para a obtenção de volumes adequados de água suficientes para geração de energia, as usinas hidrelétricas necessitam que as águas sejam acumuladas em reservatórios. O Rio São Francisco possui oito grandes reservatórios, dentre eles está o reservatório de Luiz Gonzaga (antiga Itaparica) localizado entre os estados da Bahia e Pernambuco. Segundo Melo (2007) este reservatório foi inicialmente construído para a geração de energia. Porém, atualmente apresenta outras finalidades como abastecimento público e industrial, irrigação, piscicultura, pecuária, navegação, turismo e lazer. A preocupação surge devido ao mau gerenciamento do reservatório, com ocupações irregulares no seu entorno que afetam diretamente na qualidade da água. As imagens de Sensoriamento Remoto (NOVO, 2010) vêm sendo importantes ferramentas no monitoramento contínuo de reservatório. Obtendo-se o limite água/solo pode-se gerar o contorno das margens e que podem ser uteis em modelagens, bem como na definição de buffers para proteção das águas do reservatório e de suas margens, ajudando na proteção do manancial e da gestão local (PAES et al., 2010). Dessa forma, este trabalho tem como objetivo mostrar experimentos com detecção de borda (GONZALEZ e WOODS, 2000) que serão os resultados iniciais para a pesquisa de mestrado. MATERIAL E MÉTODOS: O reservatório de Itaparica (Figura 1), que passou a ser chamado de Luiz Gonzaga em homenagem ao rei do baião de mesmo nome, está localizado na região do Submédio do São Francisco entre os municípios de Glória, Rodelas e Chorrochó, no estado da Bahia, e Petrolândia, Tacaratu, Floresta, Itacuruba e Belém do São Francisco, no Estado de Pernambuco, com área de 828 km² e volume total e útil de Hm³ e Hm³ respectivamente (CHESF, 2014). 359

2 Figura 1 - Localização da área de estudo. Fonte: Lopes et al. (2013) Para a escolha da imagem foi levado em consideração um sistema sensor em operação, já que o interesse na detecção de borda é o monitoramento contínuo e atualização do uso e ocupação do solo no entorno da borda. Dessa forma, foi adotado uma imagem do sensor OLI-TIRS do satélite Landsat-8 adquirida do banco de dados da USGS (United States Geological Survey) do dia 30/10/2013. Foi avaliada a assinatura espectral, e constatado uma discrepância maior na reflectância entre os alvos Vegetação e Solo com a Água na faixa do Infravermelho Próximo, o que daria mais destaque ao contorno do reservatório. Levando em conta esse critério, para esse trabalho foi utilizada a banda 5 do Infravermelho Próximo ( µm). Utilizando o SPRING, foi feito um recorte da imagem para que pudesse ser trabalhada em ambiente MATLAB R2013b. Em seguida foram aplicados os operadores de bordas de Roberts, Prewitt, Sobel e Canny, e gerados os resultados, como apresenta o fluxograma (Figura 2). Figura 2 - Fluxograma de metodologia Para a detecção e realce de bordas, é aplicado o filtro de convolução passa-alta utilizando-se máscaras de tamanho 2x2 ou de 3x3. De forma geral, uma máscara 3x3 pode ser definida como a seguir e onde os Z s representam os valores da máscara.. 360

3 O filtro de Roberts é o mais simples algoritmo de detecção de bordas. Utiliza um par de matrizes 2x2 deslocados em 90 para encontrar as mudanças nas direções x e y. Estas máscaras são desenhadas para ter resposta máxima com bordas orientadas em 45. O filtro de Roberts é de fácil implementação e de cálculo rápido (DIAS et al., 2011 e GONZALEZ e WOODS, 2000). ;. O filtro Sobel utiliza duas máscaras deslocadas em 90 para encontrar os gradientes vertical e horizontal das bordas. O operador Sobel é muito menos sensível ao ruído devido às mascaras serem de 3x3 ao invés de 2x2 (DIAS et al.,2011 e GONZALEZ e WOODS, 2000) apud (SEARA, 1998). ;. O filtro Prewitt utiliza duas máscaras 3x3 que são convoluidas com a imagem original para calcular as derivadas nas direções vertical e horizontal. O detector de bordas Prewitt é muito apropriado para estimar a magnitude e orientação das bordas (DIAS et al., 2011 e GONZALEZ e WOODS, 2000). ; Detalhe da filtragem por Canny podem ser vistas em GONZALEZ e WOODS (2000). RESULTADOS: O processo de detecção de bordas iniciou com os dados de entrada sendo a imagem monocromática, em seguida a aplicação dos filtros de Roberts, Sobel, Prewitt e Canny e os dados de saída foram os resultados dos filtros, conforme é apresentado no diagrama de blocos (Figura 3). Figura 3 - Diagrama de blocos 361

4 Os resultados obtidos são apresentados nas Figuras 4 e 5. Observa-se que os filtros de Roberts, Sobel e Prewitt geram resultados próximos e que o de Canny gera uma quantidade maior de bordas. Além disto estas são mais suavizadas. (a) Imagem monocromática (b) Filtro de ROBERTS (c) Filtro de SOBEL (d) Filtro de PREWITT (e) Filtro de CANNY Figura 4 Resultados com os filtros (a) Original (b) ROBERTS (c) SOBEL (d) PREWITT (e) CANNY Figura 5 Ampliação dos Resultados com os filtros 362

5 CONCLUSÕES: Observou-se visualmente que os filtros de Roberts, Sobel e Prewitt geram resultados próximos e que o filtro de Canny gera uma quantidade maior de bordas. Além disto estas são mais suavizadas. Este trabalho apresentou os primeiros resultados para a dissertação de mestrado. Posteriormente deve-se gerar análise dos perfis e realizar comparações a partir de teste de hipóteses. Também estudar e testar outros métodos de adquirir as bordas são recomendações deste trabalho. Os resultados poderão servir para auxiliar na gestão da área. AGRADECIMENTOS: A CAPES/CNPq pela bolsa fornecida. Ao Programa de Pós-Graduação em Ciências Geodésicas e Tecnologias de Geoinformação e ao LASENSO do DECART/CTG/UFPE. REFERÊNCIAS: ANEEL. Atlas de Energia Elétrica do Brasil. 3ª ed. 236 p. Brasília: Aneel, CHESF. Descrição do aproveitamento de Luiz Gonzaga. Disponível em < einer_geracao?p_name=8a2eeabd3be1d002e0430a803301d002> Acesso em 19 de Agosto de DIAS, F. G.; SOARES, H. C.; FONSECA, L. M. G. Estudo da aplicação de filtros de detecção de bordas na identificação da frente termal da Corrente do Brasil. In: Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto, 15, 2011, Curitiba. Anais do 15th Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto. São José dos Campos: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), GONZALEZ, R. F.; WOODS, R. E. Processamento de Imagens digitais. São Paulo: Edgard Blücher, LOPES, H. et al. Análise espaço-temporal da clorofila-a no reservatório de Itaparica por meio de imagens Landsat-TM. In: Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto, 16, 2013, Foz do Iguaçu. Anais do 16th Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto. São José dos Campos: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), MELO, G. L. Estudo da qualidade da água do reservatório de Itaparica localizado na bacia do Rio São Francisco. Dissertação (Mestrado) Programa de Pós-Graduação em Tecnologia Ambiental e Recursos Hídricos do Departamento de Engenharia Civil. Recife: UFPE, NOVO, E. M. L. Sensoriamento Remoto: princípios e aplicações.4.ed. São Paulo: Blücher, PAES, R. F. de C.; CANDEIAS, A. L. B.; SOBRAL, M. do C. Sistemas de Informações Geográficas para Subsidiar a Tomada de Decisão na Gestão Ambiental de Reservatórios. III Simpósio Brasileiro de Ciências Geodésicas e Tecnologias da Geoinformação. Recife, PE,

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