DETERMINAÇÃO DE BANDAS ESPECTRAIS A PARTIR DE DADOS HIPERSPECTRAIS

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1 unesp UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA Faculdade de Ciências e Tecnologia Programa de Pós-Graduação em Ciências Cartográficas DETERMINAÇÃO DE BANDAS ESPECTRAIS A PARTIR DE DADOS HIPERSPECTRAIS MÍRIAM REGINA BORDINHON PEGORARI DISSERTAÇÃO DE MESTRADO Presidente Prudente 2001

2 MÍRIAM REGINA BORDINHON PEGORARI DETERMINAÇÃO DE BANDAS ESPECTRAIS A PARTIR DE DADOS HIPERSPECTRAIS Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Ciências Cartográficas da Faculdade de Ciências e Tecnologia da UNESP, como requisito parcial para a obtenção do título de Mestre em Ciências Cartográficas (Área de Concentração: Aquisição, Análise e Representação de Informações Espaciais). Orientador: Prof. Dr. Erivaldo Antonio da Silva Co-orientadora: Prof. a Dra. Vilma Mayumi Tachibana PRESIDENTE PRUDENTE 2001

3 P423d Pegorari, Míriam Regina Bordinhon Determinação de bandas espectrais a partir de dados hiperspectrais / Míriam Regina Bordinhon Pegorari.- Presidente Prudente: [s.n.], p.: il. Dissertação (mestrado) Universidade Estadual Paulista, Faculdade de Ciências e Tecnologia Orientador: Erivaldo Antonio da Silva Co-orientador: Vilma Mayumi Tachibana 1. AVIRIS 2. Dados hiperspectrais. 3 Simulação de bandas. 4. ENVI. I.Pegorari,Míriam Regina Bordinhon. II. Título. CDD (18.ed.)

4 TERMO DE APROVAÇÃO MÍRIAM REGINA BORDINHON PEGORARI DETERMINAÇÃO DE BANDAS ESPECTRAIS A PARTIR DE DADOS HIPERSPECTRAIS Comissão Julgadora Dissertação para a obtenção do título de Mestre Prof. Dr. Erivaldo Antonio da Silva Orientador Profª. Dra Ana Lúcia Bezerra Candeias Profª. Dra Arlete A. C. Meneguette

5 Aos meus pais, Alcides (in memorian) e Verginia; Ao meu marido, Celso, pela paciência e incentivo; E ao meu filho Henrique.

6 AGRADECIMENTOS Ao Prof. Dr. Erivaldo Antonio da Silva, pela orientação, dedicação e incentivo, sem os quais este trabalho dificilmente seria realizado; À Prof. a Dra. Vilma Mayumi Tachibana, co-orientadora e colega nas sugestões, correções e incentivo que jamais serão esquecidos; Ao Prof. Dr. Lênio Soares Galvão, do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, pela competência demonstrada e pelas sugestões ao trabalho desenvolvido; À Sulsoft Creative Software, na pessoa de Michael Steinmayer, pela licença temporária dada ao software, sem o qual não seria possível realizar todo o trabalho; Ao Prof. Luiz Carlos Galvão, pelas correções efetuadas ao texto; Aos meus professores Arlete A. C. Meneguette, Nilton Nobuhiro Imai, Júlio K. Hasegawa, Aluir Porfírio Dal Poz, Antonio M. G. Tommaselli e Maria de Lourdes Bueno Trindade Galo, por me transmitirem o conhecimento e pela amizade; À Faculdade de Ciências e Tecnologia Unesp e às Faculdades Adamantinenses Integradas FAI, pelo incentivo dado; A todos que, direta ou indiretamente, contribuíram para que este trabalho atingisse a meta proposta inicialmente.

7 SUMÁRIO Página LISTA DE FIGURAS... 8 LISTA DE TABELAS Resumo INTRODUÇÃO Considerações Iniciais Objetivos do Trabalho Estrutura do Trabalho FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Fundamentos de Radiometria Radiação Eletromagnética Espectro Eletromagnético Características do Sistema Sensor Comportamento Espectral de Alvos Fatores que interferem nas medidas do comportamento espectral Formas de Aquisição dos Dados Geometria de Aquisição de Dados Parâmetros Atmosféricos... 30

8 Parâmetros Relativos ao Alvo Características Gerais das Curvas de Reflectância Vegetação Solos Água Sistema Landsat Componentes do Sistema Landsat Sensor MSS (Multiespectral Scanner Subsystem) Sensor TM Thematic Mapper ETM+: Thematic Mapper Realçado Sistema SPOT AVHRR Sistema AVIRIS Espectro de AVIRIS MATERIAIS E EQUIPAMENTOS Localização da Área de Estudo Equipamentos PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS Correção Atmosférica e Redução dos Dados do AVIRIS de Radiância para Reflectância Seleção dos Alvos Simulação das imagens Landsat/TM-5, Landsat/MSS-5, Spot 1

9 e AVHRR APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS Contraste espectral entre os pares de alvos selecionados CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES BIBLIOGRAFIA Abstract

10 LISTA DE FIGURAS Página Figura 1 - Espectro Eletromagnético Figura 2 - Geometria de Aquisição de Dados Figura 3 - Reflectância espectral de amostras de solo, de água e de vegetação Figura 4 - Curva média da vegetação fotossinteticamente ativa Figura 5 - Comportamento espectral da água Figura 6 - Assinatura espectral da água em três estados físicos... Figura 7 Componentes do sistema Spot... Figura 8 Instrumento abordo do avião NASA ER-2... Figura 9 Espectro de AVIRIS Figura 10 - Localização geográfica da área de estudo Figura 11 - Carta topográfica da localização da área de estudo Figura 12 - Espectros obtidos a partir dos dados do AVIRIS, a) Radiância e b) Reflectância Figura 13 - Seqüência para simular imagens a partir da imagem AVIRIS Figura 14 Simulação da imagem Landsat/TM-5, bandas 1, 2, 3, 4, 5 e 7, respectivamente em (A), (B), (C), (D), (E) e (F) Figura 15 Simulação da imagem Landsat/MSS-5, bandas 1, 2, 3, 4, respectivamente em (A), (B), (C) e (D) Figura 16 Imagem Spot 1 simulada, bandas 1, 2 e 3, respectivamente em (A), (B) e (C)... 76

11 Figura 17 Simulação da imagem AVHRR 11, bandas 1 e 2, respectivamente em (A) e (B) Figura 18 - Imagem AVIRIS banda 21, com pontos selecionados (A) Vegetação, (B) Água, (C) Solo Exposto, (D) Estrada de Terra Figura 19 - Reflectância espectral dos alvos selecionados da imagem AVIRIS canal Figura 20 - Contraste espectral entre os alvos Água e Estrada de Terra da imagem simulada do Landsat/TM Figura 21 - Contraste espectral entre os alvos Água e Estrada de Terra da imagem simulada do Landsat/MSS Figura 22 - Contraste espectral entre os alvos Água e Estrada de Terra da imagem simulada do Spot Figura 23 - Contraste espectral entre os alvos Água e Estrada de Terra da imagem simulada do AVHRR Figura 24 - Contraste espectral entre os alvos Água e Solo Exposto da imagem simulada do Landsat/TM Figura 25 - Contraste espectral entre os alvos Água e Solo Exposto da imagem simulada do Landsat/MSS Figura 26 - Contraste espectral entre os alvos Água e Solo Exposto da imagem simulada do Spot Figura 27 - Contraste espectral entre os alvos Água e Solo Exposto da imagem simulada do AVHRR Figura 28 - Contraste espectral entre os alvos Água e Mata Galeria da

12 imagem simulada do Landsat/TM Figura 29 - Contraste espectral entre os alvos Água e Mata Galeria da imagem simulada do Landsat/MSS Figura 30 - Contraste espectral entre os alvos Água e Mata Galeria da imagem simulada do Spot Figura 31 - Contraste espectral entre os alvos Água e Mata Galeria da imagem simulada do AVHRR Figura 32 - Contraste espectral entre os alvos Solo Exposto e Estrada de Terra da imagem simulada do Landsat/TM Figura 33 - Contraste espectral entre os alvos Solo Exposto e Estrada de Terra da imagem simulada do Landsat/MSS Figura 34 - Contraste espectral entre os alvos Solo Exposto e Estrada de Terra da imagem simulada do Spot Figura 35 - Contraste espectral entre os alvos Solo Exposto e Estrada de Terra da imagem simulada do AVHRR Figura 36 - Contraste espectral entre os alvos Mata Galeria e Estrada de Terra da imagem simulada do Landsat/TM Figura 37 - Contraste espectral entre os alvos Mata Galeria e Estrada de Terra da imagem simulada do Landsat/MSS Figura 38 - Contraste espectral entre os alvos Mata Galeria e Estrada de Terra da imagem simulada do Spot Figura 39 - Contraste espectral entre os alvos Mata Galeria e Estrada de Terra da imagem simulada do AVHRR

13 Figura 40 - Contraste espectral entre os alvos Solo Exposto e Mata Galeria da imagem simulada do Landsat/TM Figura 41 - Contraste espectral entre os alvos Solo Exposto e Mata Galeria da imagem simulada do Landsat/MSS Figura 42 - Contraste espectral entre os alvos Solo Exposto e Mata Galeria da imagem simulada do Spot Figura 43 - Contraste espectral entre os alvos Solo Exposto e Mata Galeria da imagem simulada do AVHRR

14 LISTA DE TABELAS Página Tabela 1 - Principais características das assinaturas espectrais de solo Tabela 2 - Regiões espectrais próprias ao estudo de propriedades dos solos Tabela 3 - Satélites do Sistema Landsat Tabela 4 - Principais características e aplicações das bandas MSS Tabela 5 - Principais características e aplicações das bandas TM Tabela 6- Bandas ETM Tabela 7 - Características e aplicações das bandas Spot Tabela 8 - Características e aplicações das bandas AVHRR Tabela 9 Faixas espectrais do AVIRIS Tabela 10 Comparação entre os intervalos de bandas dos sensores Landsat/TM-5, Landsat/MSS-5, Spot 1 e AVHRR Tabela 11 - Apresentação dos novos intervalos de bandas para alguns sensores em estudo... 99

15 Pegorari, Míriam Regina Bordinhon. Determinação de bandas espectrais a partir de dados hiperspectrais. Presidente Prudente, p.:il. Dissertação (mestrado) em Engenharia Cartográfica Universidade Estadual Paulista, Faculdade de Ciências e Tecnologia. RESUMO Dados hiperespectrais têm sido usados em Sensoriamento Remoto para extrair mais informações dos alvos. Assim sendo este trabalho, que se insere no âmbito da Cartografia, tem por objetivo auxiliar a área no sentido de dar uma contribuição inicial sobre a utilização de dados de sensores hiperespectrais no estudo de identificação de novos intervalos espectrais que possam ser usados nos atuais sistemas sensores ou em futuros. Os dados são de uma área na região de Goiás-BR e foram adquiridos em agosto de 1995, utilizando o sensor AVIRIS da NASA. Neste estudo será apresentada uma técnica de simulação de imagens de sensores multiespectrais através do processamento da imagem do sensor hiperespectral AVIRIS, para a geração de novos intervalos espectrais. Com esses novos intervalos pode ser possível a extração de um maior número de informações dos alvos de interesse, o que pode contribuir positivamente para a área de Sensoriamento Remoto, na verdade, pouco se sabe ainda sobre o potencial de uso de dados hiperespectrais na geração de novas bandas, o que compreende um amplo campo de pesquisa, no qual está sendo dada uma contribuição inicial sobre o assunto nesta dissertação. Palavras-chaves: Dados Hiperespectrais; Sensoriamento Remoto; AVIRIS.

16 14 1. INTRODUÇÃO 1.1 Considerações Iniciais Segundo Steffen et al. (1996), nos últimos anos, a atenção de pesquisadores de todo o mundo tem-se voltado para o monitoramento global da geosfera e biosfera, tanto que se estabeleceu o programa EOS (Earth Observing System), visando ao lançamento de cento e noventa e seis novos tipos de sensores de grande resolução espectral e espacial com esse propósito. Com o advento desse programa, o conhecimento do comportamento espectral dos objetos terrestres, bem como a seleção de bandas de interesse no momento da aquisição, são primordiais para a definição de novos sensores orbitais ou para a criação de novas bandas em sensores existentes. Neste trabalho será discutido, de maneira geral, o comportamento espectral dos principais objetos naturais que compõem a superfície terrestre, como vegetação, solo, corpos de água. O que motivou a realização desse estudo foi a possibilidade de se avaliar previamente as potencialidades de utilização da imagem AVIRIS (Airborne Visible/InfraRed Imaging Spectrometer), através da simulação de imagens geradas a partir dele, baseando-se nas funções de resposta espectral, que caracterizam as bandas espectrais.

17 Objetivos do Trabalho Os dados do Sensoriamento Remoto Hiperespectral foram adquiridos pela primeira vez em 1995, sob algumas áreas do Brasil, usando imagens no visível e no infravermelho próximo do espectrômetro (AVIRIS). A pesquisa era parte do SCAR-B (Smoke, Sulfate, Clouds And Radiation - Brazil), uma missão científica entre a NASA, a Agência Espacial Brasileira (AEB) e o Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE). Os dados coletados sobre o Brasil representam os primeiros dados hiperespectrais adquiridos sobre uma região tropical. O objetivo da presente pesquisa é simular a resolução espectral das imagens geradas a partir de sensores tais como Landsat/TM-5, Landsat/MSS- 5, Spot 1 e AVHRR-11, usando as imagens do Airbone Visible/InfraRed Imaging Spectrometer (AVIRIS) do Jet Propulsion Laboratory (JPL). A metodologia adotada é explicada no corpo deste trabalho, passo a passo, e os resultados obtidos são mostrados, analisados e discutidos. A contribuição deste trabalho na área das Ciências Cartográficas é um passo inicial do uso de dados hiperespectrais para a indicação de novas bandas que possam ser incorporadas nos sensores já existentes ou em futuros projetos. A área teste escolhida localiza-se na região de Alto Paraíso de Goiás, no Estado de Goiás, entre os paralelos S e S e os meridianos W e W.

18 Estrutura do Trabalho A descrição sucinta da estrutura aqui adotada tem a finalidade de indicar em que capítulo cada assunto é abordado. O capítulo 2 apresenta a revisão bibliográfica sobre os sensores analisados no trabalho: o AVIRIS, Landsat, Spot e AVHRR, bem como um estudo sobre o comportamento espectral dos alvos escolhidos. O capítulo 3 indica a localização da área de estudos escolhida, assim como os equipamentos e softwares utilizados nesta dissertação. O capítulo 4 faz uma descrição dos detalhes do sistema desenvolvido, bem como apresentada as correções e simulações geradas. No capítulo 5 são apresentados e analisados os resultados da simulação de bandas geradas pelo sensor AVIRIS. Finalmente, no capítulo 6, são apresentadas conclusões que foram obtidas com a realização deste trabalho, além de algumas recomendações para trabalhos futuros.

19 17 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Este capítulo trata do comportamento espectral dos alvos e das bandas associadas dos satélites Landsat, NOAA e Spot. Portanto este capítulo fornece um embasamento para o capítulo Fundamentos de Radiometria Segundo Steffen et al. (1996), o Sensoriamento Remoto pode ser definido como um conjunto de técnicas e equipamentos que permite obter informações da superfície terrestre usando-se a radiação eletromagnética como meio de coleta dessas informações, as quais são gravadas como fotografias ou imagens digitais por equipamentos colocados em aeronaves ou satélites. A imagem gerada por um sensor remoto é constituída por uma matriz de pontos denominados pixels (picture cells), onde cada um representa, através de seu nível digital, a quantidade de radiação refletida ou emitida pela parte da cena que representa. A quantidade e a qualidade da radiação refletida pelos objetos terrestres resultam das modificações que o fluxo de radiação solar experimenta ao interagir com os mesmos. Essas alterações são provocadas pelas diferentes

20 18 propriedades físico-químicas e biológicas dos objetos e determinam a sua aparência nas imagens dos sensores remotos Radiação Eletromagnética Desde os mais remotos tempos, a energia é utilizada pelo homem para a sua sobrevivência e desenvolvimento. Quase toda energia disponível na Terra tem sua origem no Sol, de onde se propaga para todo o espaço na forma de radiação eletromagnética (REM). Essa radiação se desloca, na forma de ondas, com uma velocidade próxima de Km/s. Como qualquer tipo de fenômeno ondulatório, os diferentes tipos de radiação eletromagnética podem ser caracterizados pelo seu comprimento de onda e freqüência, que se relacionam com a velocidade de propagação por: C =. f (1) onde C é a velocidade em m/s, o comprimento de onda m e f a freqüência em Hertz. Muitas vezes, os comprimentos de onda têm dimensões muito pequenas e é comum a utilização de submúltiplos do metro, como o nanômetro (1nm = 10 9 m) e o micrômetro (1 m = 10 6 m), para a sua designação e, da mesma forma, os valores da freqüência são indicados por múltiplos do Hertz, como o quilohertz (1 khhz = 10 3 Hz), o megahertz (1 MHz = 10 6 Hz) e o gigahertz (1 GHz = 10 9 HZ).

21 19 Segundo Almeida Filho (2000), quando a REM incide sobre determinado material, parte é refletida; parte absorvida e emitida na forma de calor; e parte pode ser transmitida através da substância. Esses fenômenos definem os três parâmetros usados para caracterizar espectralmente os diferentes materiais: reflectância (r)(ρ), absortância (a)(α) e transmitância (t)(τ), sendo que ρ + α + τ = 1, maiores detalhes em (Novo, 1992). A intensidade com que determinada substância reflete a REM é função de suas características físicas e químicas e define sua assinatura espectral. A reflectância é uma grandeza adimensional que expressa a razão entre a densidade superficial de fluxo radiante que atinge determinada superfície (i) e a densidade de fluxo refletido ou emitido pela superfície (e), ou seja, (r = e/i). Entretanto, a grandeza radiométrica medida pelos sistemas sensores é a radiância (n), definida como o fluxo radiante que deixa determinada superfície por unidade de ângulo sólido e de área projetada na direção da medida. Admitindo-se que a maioria dos materiais da superfície terrestre comporta-se como superfícies lambertianas (refletindo ou emitindo a REM igualmente em todas as direções), é possível demonstrar que a radiância hemisférica de determinada superfície pode ser dada por n = e/π. Combinando-se essas duas expressões, verifica-se que a radiância de uma superfície lambertiana é diretamente proporcional a reflectância da superfície e à densidade do fluxo radiante incidente [n = (i. r)/pi]. Assim, sob as mesmas condições de iluminação, alvos distintos serão registrados nas imagens com valores distintos de radiância. Entretanto, sob várias situações, as condições de iluminação da cena variam pela

22 20 relação entre a topografia e os ângulos solares de elevação e azimute, fazendo com que alvos semelhantes tenham valores distintos de radiância. Vários outros fatores contribuem para compor o dado registrado em uma imagem de Sensoriamento Remoto, que representa o somatório da radiação refletida por todos os componentes da superfície terrestre contidos dentro do elemento de resolução do sistema, incorporando ainda influências das variáveis envolvidas no processo de aquisição desses dados. Segundo Almeida Filho (2000), dentre esses fatores devem ser considerados: - características do sistema sensor: sistemas ópticos (resoluções espaciais, espectrais e radiométricas), sistemas de radar (resolução espacial, banda de freqüência, polarização, ângulos de incidência e visada); - influência do substrato geológico, representado pela distribuição das rochas em superfície ou, como geralmente ocorre, pelos produtos derivados do intemperismo; - influência das características fisiográficas da região de estudo, as quais determinarão o grau de intemperismo e o tipo de cobertura vegetal dominante; vegetal; - influência das variações sazonais refletidas na cobertura solares de elevação e azimute. - influência das variações sazonais, refletidas nos ângulos

23 Espectro Eletromagnético Os diferentes tipos de radiação eletromagnética conhecida podem ser caracterizados pelo seu comprimento de onda ou pela freqüência. O gráfico da figura 1, denominado Espectro Eletromagnético mostra, de forma organizada, o conjunto dos diferentes tipos de radiação eletromagnética conhecido. FIGURA 1 - Espectro Eletromagnético Fonte: Steffen et al. (1996) Observando o espectro eletromagnético no sentido dos maiores comprimentos de onda (menor freqüência), pode-se observar os seguintes tipos de radiação:

24 22 Radiação Gama: radiação de alta energia geralmente emitida por materiais radioativos. É utilizada em medicina (radioterapia) e radiografia industrial. Raios-X: radiação produzida pelo freamento de elétrons de alta energia. O seu médio poder de penetração a torna adequada para as aplicações na medicina (radiografia) e nas técnicas de controle de qualidade industrial. Ultravioleta: radiação emitida em grande quantidade pelo sol na faixa de 100 nm até aproximadamente 380 nm, entretanto é bastante atenuada pela camada de ozônio atmosférico antes de atingir a superfície terrestre. Essa banda pode ser subdividida em: UV próximo: 300 a 380 nm UV médio: 200 a 300 nm UV distante: 100 a 200 nm Visível: é o conjunto das radiações que podem ser percebidas pelo sistema visual humano e denominado luz. A cor é uma sensação produzida pelo estímulo luminoso e os diferentes componentes do espectro visível produzem sensações de cor que dependem de seu comprimento de onda (ou freqüência) como mostra a relação: Violeta: 390 a 450 nm

25 23 Azul: 450 a 500 nm Verde: 500 a 560 nm Amarelo: 560 a 600 nm Laranja: 600 a 630 nm Vermelho: 630 a 760 nm Infravermelho: região espectral que contém as radiações eletromagnéticas desde 0,7 m até 1000 m e costuma ser subdividida em três sub-regiões: IV próximo: 0,7 a 3,0 m IV médio: 3,0 a 6,0 m IV distante: 6,0 a 10 3 m Microondas: radiações eletromagnéticas que podem ser produzidas por sistemas eletrônicos e se estendem pela região do espectro desde 1mm até cerca de 1m, o que corresponde ao intervalo de freqüências de 300 GHz a 300 Mhz. Rádio: radiações eletromagnéticas de freqüência menor que 300 MHz ( >1m) e utilizadas principalmente em telecomunicações. Algumas bandas do espectro eletromagnético têm denominações especiais relacionadas com suas características como:

26 24 Espectro óptico: região do espectro que compreende as radiações que podem ser coletadas por sistemas ópticos (ultravioleta, visível e infravermelho). Espectro solar: região espectral que compreende os tipos de radiação emitidas pelo Sol. Espectro visível: conjunto das radiações percebidas pelo sistema visual humano Características do Sistema Sensor Como a visão humana é naturalmente limitada na visualização da REM, faz-se necessário utilizar equipamentos artificiais que possam, a exemplo do olho humano na faixa do visível, receber, quantificar e fornecer dados sobre os objetos estudados também em outras faixas do espectro eletromagnético. Com o desenvolvimento científico e a melhoria dos equipamentos, as faixas espectrais puderam ser muito ampliadas. Em linhas gerais, é possível definir um sensor remoto como um dispositivo capaz de responder à REM, no domínio de sua faixa espectral, registrá-la e fornecer um produto que dará informação sobre as características dos alvos. Os sistemas sensores são geralmente constituídos por três elementos: um coletor móvel, responsável pela captação da energia emitida e/ou refletida pelos alvos e pelo envio desta para o detetor ou detetores que possuem a função de

27 25 transformar a energia de eletromagnética para uma outra forma de energia. Em geral, esta outra forma é um sinal eletrônico que é diretamente proporcional à radiância e, finalmente, o terceiro elemento que é a unidade eletrônica. Ela faz com que o sinal recebido pelos detectores seja codificado de forma que possa ser lido e registrado através de um medidor. O sistema de aquisição de dados por Sensoriamento Remoto é composto, desta forma, por uma fonte de energia eletromagnética, um sensor que transforma a energia proveniente do alvo em sinal e por um analisador que transforma esse sinal em dados. Sabe-se ainda que as variações nos sinais registrados dependem também das interações energia x matéria x alvo. Outro fator que interfere no sinal recebido é a altitude do sensor com relação à área imageada. Convencionou-se denominar esta altitude de nível de aquisição de dados, sendo que ela se classifica em: Nível de laboratório/campo neste nível é possível manter controlada a componente atmosférica, uma vez que esta interfere de forma acentuada, nos resultados finais atingidos. Este nível de aquisição e medida é fundamental para a compreensão do efeito de fatores ambientais e/ou propriedades inerentes dos objetos sensoriados sobre os sinais registrados pelos sensores. Trabalha-se com porções reduzidas da matéria e estuda-se o comportamento espectral destas, quase sem a interferência de fatores ambientais.

28 26 Nível de aeronave - neste nível é possível obter informações precisas de áreas de tamanho maior, o que favorece sobremaneira o conhecimento mais rápido da superfície. É claro que neste caso, a atmosfera pode interferir em um grau maior, sendo necessário conhecer, de alguma forma, o efeito desta interferência. A energia registrada pelo sensor não se refere a um determinado objeto ou alvo, mas sim a um arranjo ou composição dos objetos que pertencem à cena correspondente ao pixel. Nível orbital neste estão incluídos todos os dados obtidos por sensores colocados a bordo de satélites artificiais. Como no caso anterior, a energia registrada é a integração da resposta de diferentes objetos. No caso dos sistemas ópticos, deve-se considerar suas resoluções espaciais, espectrais e radiométricas. De um modo bastante simples, pode-se dizer que a resolução espacial de um sistema é dada por sua capacidade de discernir dois pontos do terreno separados por determinada distância (pixel do Thematic Mapper do Landsat cobre uma área é em média de 30x30 m. No entanto ele pode detectar feições menores que essa dimensão, como o traçado de uma estrada secundária, desde que a mesma possua alto contraste em relação ao meio onde se encontra). A resolução espectral pode ser entendida como o número e a largura das bandas espectrais de um sistema. No caso dos sistemas hiperespectrais (com mais de duas centenas de bandas muito estreitas) a alta resolução espectral permite recompor a curva de comportamento espectral de determinados alvos. A resolução radiométrica pode ser entendida como a sensibilidade com que o

29 27 sistema registra as variações de comportamento do alvo, expressa em termos de números binários (6 bits = 2 6 = 64 níveis de cinza; 8 bits = 2 8 = 256 níveis de cinza etc.). No caso dos sistemas de radar, deve-se considerar a resolução espacial, a faixa de freqüência de obtenção das imagens (banda-x, banda-c, banda-l), a polarização do feixe de radiação enviado e recebido pela antena (HH, VV, HV), os ângulos de incidência do feixe, que em função da morfologia do terreno poderão criar várias características típicas dessas imagens, como sombra, quebra e sobreposição. Como os sistemas de radar podem obter imagens em órbitas ascendentes e descendentes, a direção da visada é também muito importante, posto que ela realçará de modo diferente as características do terreno. Com raras exceções as imagens ascendentes tendem a mostrar o relevo com a aparência invertida (locais altos aparecem baixos e vice-versa). 2.2 Comportamento Espectral de Alvos A principal característica do Sensoriamento Remoto é o seu poder de multiespectralidade, ou seja, a característica de obter dados de uma mesma área, a partir de várias faixas do espectro eletromagnético. O comportamento espectral de um alvo pode ser definido como a medida da reflectância desse alvo ao longo do espectro eletromagnético.

30 28 Para a análise espectral dos objetos, é necessário o conhecimento das condições experimentais, como características dos sensores, tipo de processamento, geometria de aquisição de dados, fatores ambientais e estado do objeto. O estudo do comportamento espectral de alvos normalmente é feito sob a forma gráfica, sendo necessários também outros tipos de informações relativas às condições de coletas dos dados, como local, altura do equipamento, visada vertical ou oblíqua, horário das medições, condições climáticas, data e outros. O conhecimento do comportamento espectral de alvos é muito importante na própria definição de novos sensores, na definição do tipo de pré-processamento a que devem ser submetidos os dados ou mesmo na definição da forma de aquisição deles (geometria de coleta dos dados, freqüência, altura do imageamento, resolução limite etc) Fatores que interferem nas medidas do comportamento espectral Formas de Aquisição dos Dados A forma de aquisição das medidas deve considerar a reflectância, transmitância e a absortância espectral hemisférica e/ou bidirecional. Estas principais medidas podem ser feitas da seguinte forma: em laboratório, no

31 29 campo, aeronave ou orbital. Cada uma destas formas gera diferentes resultados, devido aos diferentes fatores na tomada das medidas Geometria de Aquisição de Dados Independente da forma de aquisição dos dados espectro radiométricos (laboratório ou campo, aeronave e satélites), os aspectos geométricos envolvidos no processo de coleta exercem grande influência nas medições. Os parâmetros geométricos em questão referem-se às posições espaciais assumidas pela fonte de REM, pelo alvo e pelo sensor, que são expressas sob a forma angular. A figura 2 ilustra um exemplo dos ângulos envolvidos numa missão de coleta de dados, onde o Sol é a fonte de REM e o satélite a plataforma de sustentação do sensor. Os ângulos ilustrados são: zenital solar ( z) ou ângulo de elevação solar, zenital de visada ( v) ou ângulo de visada e azimutal relativo ( ), sendo que H representa a altura do sensor em relação ao plano da base do alvo.

32 30 FIGURA 2 Geometria de Aquisição de Dados Fonte: Novo (1992) Parâmetros Atmosféricos Os parâmetros atmosféricos que interferem nas medidas de reflectância são: umidade atmosférica, presença de aerossóis, turbulência etc, ficando implícito o tratamento de situações onde a atmosfera esteja livre de nebulosidade. A umidade interfere através da absorção da REM na trajetória do fluxo entre a fonte e o alvo e entre o alvo e o sensor. As modificações na umidade conduzem a alterações na intensidade das bandas de absorção pela água, interfere no tipo e concentração dos aerossóis e provoca mudanças no espalhamento atmosférico.

33 Parâmetros Relativos ao Alvo As características de reflectância dos objetos adjacentes ao alvo de interesse também interferem nas medidas, vez que a energia que a vizinhança do alvo espalha pode ser diferente espectralmente da energia deste e mascarar sua resposta Características Gerais das Curvas de Reflectância O conhecimento dos espectros de reflectância dos diversos materiais permite quantificar e prever a distribuição espectral da REM por eles refletida. Este conhecimento é fundamental para a escolha dos melhores canais ou faixas espectrais, onde algumas características dos alvos sejam realçadas, ou mesmo para a interpretação de imagens ou dados obtidos por sensores remotos. Na figura 3 estão representadas as curvas de reflectância espectral média de três tipos de alvos para Sensoriamento Remoto do meio ambiente: solo, vegetação e água. Pode-se observar que cada material apresenta uma curva de reflectância espectral bastante típica, distinguindo-se das demais. A esta reflectância espectral também se dá o nome de assinatura espectral.

34 32 FIGURA 3 - Reflectância espectral de amostras de solo, água e de vegetação Fonte: Silva (1992) Será apresentado, de modo generalizado, o comportamento espectral de alguns componentes da superfície que serão aqui trabalhados, quais sejam: vegetação, solo e água Vegetação O termo vegetação, associado ao comportamento espectral, tem sido usado para representar propriedades espectrais de partes de uma planta (ou conjunto de plantas), como suas folhas, galhos etc.

35 33 Os constituintes da folha que são considerados mais importantes na interação com a REM são a celulose, solutos, espaços intercelulares e pigmentos existentes dentro dos cloroplastos. O comportamento espectral de uma folha é função de sua composição, morfologia e estrutura interna. A curva de média da vegetação fotossinteticamente ativa é mostrada na figura 4. Os comprimentos de onda relativos ao ultravioleta não foram considerados porquanto uma grande quantidade dessa energia é espalhada e a vegetação não faz uso dela. FIGURA 4 Curva média da vegetação fotossinteticamente ativa Fonte: Novo (1992) Sua análise indica que a região compreendida entre 0,4 a 2,6 m pode ser dividida em três áreas: a região do visível (0,4 a 0,7 m), do infravermelho próximo (0,7 a 1,3 m) e região do infravermelho médio (1,3 a 2,6

36 34 m). Essa divisão foi feita em função dos fatores que condicionam seu comportamento (Novo, 1992): - Até 0,7 m (região do visível) a reflectância é baixa (menor que 0,2), decorrente da forte absorção da radiação pelos pigmentos do grupo da clorofila, dominando a absorção da radiação incidente pelos pigmentos da planta em 0,48 m (carotenóides) e em 0,62 m (clorofila). Destaca-se um pico de reflectância em torno de 0,5 m, correspondente à região verde do espectro, dando a coloração verde das plantas. - De 0,7 a 1,3 m, a reflectância passa para valores próximos a 40%, o que está relacionado à estrutura celular da folha, onde ocorrem múltiplas reflexões e refrações, associadas a descontinuidades de índices de refrações. Este fato é importante para que a folha mantenha o equilíbrio no balanço de energia e não se superaqueça, evitando, assim, a destruição da clorofila. - Entre 1,3 e 2,5 m, a reflectância da vegetação é dominada pela presença de água. Nessa região encontram-se dois máximos de absorção pela água (em 1,4 m e 1,95 m) e as bandas de absorção atmosféricas. Esses dados referem-se a uma única folha verde isolada e sadia, devendo ficar claro que vários fatores podem modificar este comportamento espectral e que, ainda, ele não pode ser aplicado diretamente para uma planta inteira ou para uma cobertura vegetal, devido a diversos fatores, como influência

37 35 de superfícies desfolhadas, mudanças no ângulo de iluminação e orientação das folhas. A medida de reflectância espectral da vegetação depende de um conjunto de fatores, como condições atmosféricas, espécie, solo, índice de área foliar, biomassa, forma da folha, posição, água, pigmento, geometria da medida, tipo de sistema sensor e cobertura da copa Solos O solo, sob o ponto de vista edafológico, é massa natural que compõe a superfície terrestre, sendo que sua função é suportar as plantas. Uma segunda definição, sob o ângulo pedológico, é um conjunto de corpos naturais contendo matéria viva e resultantes da ação do clima e da biosfera sobre as rochas, cuja transformação em solo se realiza durante certo tempo e sofre influência de acordo com o tipo de relevo. Os principais fatores de formação do solo são: organismos, clima (água e temperatura), material de origem, tempo e relevo. Seu comportamento espectral está em função principalmente da porcentagem de matéria orgânica, granulometria, umidade e Capacidade de Troca Catiônica (CTC), sendo que o aumento da quantidade de matéria orgânica provoca a diminuição da resposta espectral.

38 36 Quanto à relação granulometria/reflectância, para as partículas transparentes, sua diminuição de tamanho aumenta os valores de reflectância; entretanto, nos opacos, quanto menor a sua granulometria, maior será a redução da reflectância e atenuação das bandas de absorção. Para umidade e CTC, solos úmidos possuem reflectâncias mais baixas que os solos secos quando na faixa do espectro refletido, sendo que o aumento na capacidade de troca catiônica provoca um decréscimo na reflectância dos solos. A tabela 1 estabelece uma classificação do solo em 5 tipos, resumindo suas principais características.

39 37 Tabela 1 Principais características das assinaturas espectrais de solo TIPO DE REGIÃO DO FEIÇÃO CARACTERÍSTICA DO CURVA ESPECTRO ESPECTRAL SOLO (µm) 0,32 1,0 Baixa reflectância 1 Forma côncava ,32 0,60 0,60 0,70 Gradiente decrescente Gradiente acentuado Solos bem drenados pouca Matéria orgânica 2 0,70 0,75 0,32 0,75 Gradiente decrescente Forma convexa 0,32 0,60 Gradiente acentuado Solos com conteúdo de 3 0,60 0,74 Gradiente pequeno ferro 0,76 0,78 Gradiente decrescente Razoavelmente elevado 0,32 2,30 Baixa reflectância Alto conteúdo de ferro e 4 0,88 1,30 Redução da matéria orgânica reflectância 5 0,75 1,30 Gradiente decrescente não há banda de absorção de água em 1,45 m Alto conteúdo de ferro e baixo conteúdo de matéria orgânica Fonte: Adaptação de Novo (1992)

40 38 A partir de uma análise e estudos, foram sugeridas por Silva (1992), algumas faixas espectrais interessantes para estudo de propriedades do solo, que são apresentadas. Tabela 2 Regiões espectrais próprias ao estudo de propriedades dos solos REGIÕES ESPECTRAIS PROPRIEDADES (µm) 0,57 Monitoramento de matéria orgânica em solos sem cobertura vegetal 0,7 e 0,9 Monitoramento do conteúdo de compostos de ferro férrico 1,0 Monitoramento do conteúdo de compostos de ferro ferroso 2,2 Monitoramento de umidade do solo Fonte: Novo (1992) Água Um dos principais itens envolvidos no estudo do comportamento espectral da água é a interação da radiação eletromagnética com um corpo d água, como é mostrado na figura 5. A radiação que chega à superfície da água é refletida ou refratada. Uma parte desta radiação refratada pode ser absorvida e espalhada pela

41 39 própria água ou por partículas nela presentes, refletida no fundo da superfície, podendo novamente atingir a superfície. FIGURA 5 - Comportamento espectral da água Fonte: Novo (1992) Portanto, podem ocorrer os seguintes fenômenos quando da interação da radiação eletromagnética com um meio líquido: - Reflexão na superfície; - Reflexão na superfície da água; - Absorção de parte da radiação pela água e pelas partículas presentes nela; - Espalhamento e desvio na direção do percurso da radiação; - Reflexão no fundo do corpo d água; - Nova refração da radiação na superfície, com conseqüente emersão na atmosfera.

42 40 Esta pequena parte da radiação emergente, associada à radiação refletida na superfície da água, novamente é modificada pela atmosfera até atingir o sistema sensor. Além destes fatores, corpo d água e condições atmosféricas, o estudo de água por Sensoriamento Remoto depende também do tipo de sistema sensor empregado e da geometria de tomada da medida. A figura 6 ilustra o comportamento espectral d água em seus diferentes estados físicos. FIGURA 6 - Assinatura espectral da água em três estados físicos Fonte: Bowker et al. (1985) De modo geral, a assinatura espectral da água líquida apresenta uma baixa reflectância, menor do que 10%, na faixa espectral compreendida entre

43 41 0,38 e 0,7 m e máxima absorção acima 0,7 m. As nuvens apresentam elevada reflectância, em torno de 70%, em todo o espectro óptico e com destacadas bandas de absorção em 1, 1,3 e 2 m. A assinatura espectral da neve apresenta maiores valores de reflectância do que as nuvens na faixa espectral de 0,4 a 1,2 m tendo um decaimento acentuado no intervalo entre 0,8 e 1,5 m quando a reflectância atinge valor inferior a 1%. Esses valores voltam a crescer, atingindo valores máximos ( 20%) em, aproximadamente, 1,75 e 2,25 m e mínimo ( 0) em torno de 2 m. As bandas de absorção devido a processos de oscilações têm uma tarefa importante ao representar os minerais que contêm água, íons de oxidrilo ou carbonato. A presença de água é revelada através de duas bandas características a 1,4 e 1,9. A presença simultânea destas bandas indica que a água não é associada com a estrutura cristalina, considerando-se que a presença de uma única banda em 1,4 indica que aqueles íons de oxidrilo ligados ao padrão cristalino estão presentes. Esta banda, às vezes, é alargada de 1,5 a 1,7. O estilo de oscilação principal do OH - íon dá uma banda de absorção em, aproximadamente, 2,8 (Antikidis et al., 1995). 2.3 Sistema Landsat A idéia de se desenvolver um sistema de coleta de dados a partir de satélite surgiu com as primeiras fotografias orbitais dos programas Mercury e

44 42 Gemini. Essas fotografias demonstraram a viabilidade de se utilizar plataformas espaciais como base para a coleta de dados sobre os recursos da superfície terrestre (Novo, 1992). O sistema Landsat foi desenvolvido pelos Estados Unidos, com o objetivo de permitir a aquisição repetitiva e de alta resolução de dados multiespectrais da superfície terrestre. No começo ficou conhecido por ERTS - Earth Resources Technology Satellite. Na tabela 3 apresenta as datas de lançamento de cada satélite, bem como seu período de vida útil. Tabela 3 - Satélites do Sistema Landsat SATÉLITE DATA DE LANÇAMENTO SENSORES ESTADO DE OPERAÇÃO Landsat MSS e RBV Terminado em Landsat MSS e RBV Final Landsat MSS e RBV Final Landsat MSS, TM Final de 1983 Landsat MSS, TM Operacional Landsat ETM Perdido no lançamento Landsat 7 Abril, 1999 TM, ETM+ Operacional Fonte: Adaptada de em 21/10/1998

45 Componentes do Sistema Landsat Como todo sistema de Sensoriamento Remoto orbital, o sistema Landsat compõe-se de duas partes principais: o subsistema satélite e o subsistema estação terrestre. O subsistema satélite tem a função básica de adquirir os dados. Na configuração atual (Landsat 5), que difere da dos três primeiros, percebe-se claramente que esta série é a ponte entre as antigas e as novas gerações de sistemas orbitais de coleta de dados. Este subsistema satélite adquire imagens dos alvos terrestres graças a dois sensores denominados Thematic Mapper - TM e Thematic Mapper Realçado - ETM. O subsistema satélite tem a função também de fornecer meios de transmissão das imagens diretamente às estações terrestres, através de satélites de comunicação (Tracking and Data Relay Satellite System) - TDRSS, proporcionar energia para a operação dos instrumentos e equipamentos sensores e de suporte, manter a estabilidade de altitude das estações terrestres e interagir com os ônibus espaciais. Além dos sensores a bordo, o satélite é composto por vários outros subsistemas que têm, cada um, uma função específica, mas que, no geral, garantem a recepção e transmissão dos dados sobre os alvos da superfície terrestre. A órbita é repetitiva, circular, heliosíncrona e quase polar. O satélite está a uma altitude de 705 Km, sendo que, essa diminuição de altitude proporcionou atingir-se a resolução de 30 metros no terreno para os dados do

46 44 sensor TM, o que foi um avanço para áreas como a Cartografia. As passagens pela mesma área imageada ocorrem a cada 16 dias Sensor MSS (Multispectral Scanner Subsystem) O sensor MSS hoje não se encontra em operação por problemas técnicos. Este sensor é um equipamento de varredura ótico-eletrônica, que opera em quatro faixas do espectro eletromagnético, duas no visível (canais 4 e 5) e duas no infravermelho próximo (canais 6 e 7). Segundo Curran (1985), a cena terrestre imageada por este sensor representava uma área de 185 x 185 km e a resolução espacial de 80 x 80 m. No Landsat 3 foi acrescentado um canal na faixa do infravermelho termal (canal 8), cuja resolução era de 240 m, que captava a radiação emitida pelos alvos, mas como falhou logo após o lançamento, poucas destas imagens foram usadas para aplicações ambientais.

47 45 Tabela 4 Principais características e aplicações das bandas MSS Satélites Bandas Faixas Aplicação Resolução Espectrais (µm) Espacial (m) -Uso do solo, vegetação 4 0,5-0,6 (verde) 5 0,6-0,7 -Áreas urbanas, qualidade d água -Diferenciação de espécies vegetais 80 (vermelho) -Agricultura, qualidade 80 Landsat 1, 2, 3 d água -Áreas urbanas - -Delineamento de corpos - 0,7-0,8 d água 6 (infravermelho - -Mapeamento geológico próximo) - -Mapeamento geomorfológico - -Áreas úmidas 80

48 Principais características e aplicações das bandas MSS (continuação) Delineamento de corpos - d água 7 0,8-1,1 - -Mapeamento geológico (infravermelho - -Mapeamento 80 próximo) geomorfológico - -Áreas úmidas -Queimadas -Correntes marinhas Landsat 3 10,4-12,6 -Diferenças de temperatura (infravermelho termal) dos alvos da superfície terrestre Fonte: em 21/10/1998 Os dois últimos satélites da série Landsat (o 4 e o 5), sofreram algumas modificações, tanto na forma da plataforma como em suas características orbitais. A altitude foi modificada de 920 km para 705 km, o ciclo de recobrimento passou de 18 dias para 16 dias e o período orbital passou de 103 minutos para 98,9 minutos. O horário médio de passagem pelo Equador continuou sendo 9h 30 min, horário local.

49 Sensor TM - Thematic Mapper O sensor TM tem um sistema avançado de varredura multiespectral concebido para proporcionar resolução espacial mais fina (30m), melhor discriminação espectral entre os alvos e maior fidelidade geométrica em relação ao sensor MSS. O sensor TM possui sete canais, sendo que 6 deles (canais 1, 2, 3, 4, 5 e 7) possuem resolução espacial de 30 metros e o canal 6 tem resolução espacial de 120 metros. Na tabela 5 é possível verificar as faixas espectrais do sensor TM e suas principais aplicações.

50 48 Tabela 5 Principais características e aplicações das bandas TM Canal Faixa Espectral ( m ) Principais Aplicações Resolução Espacial (m) 1 0,45-0,52 - Diferenciação entre solo e vegetação - Mapeamento de águas costeiras ,52-0,60 - Reflectância de vegetação verde sadia ,63-0,69 - Absorção de clorofila - Diferenciação entre espécies 30 vegetais 4 0,76-0,90 - Levantamento de biomassa - Delineamento de corpos d água ,55-1,75 - Medidas de umidade de vegetação - Diferenciação entre nuvens e neve ,4-12,5 - Mapeamento de estresse térmico - Outros mapeamentos térmicos ,08-2,35 - Mapeamento hidrotermal 30 Fonte: Novo (1992) O sensor TM também tem espelho no seu sistema de varredura, sendo que este sistema agora é eletrônico e não mais mecânico como no caso do

51 49 MSS. O espelho oscila perpendicularmente à direção de deslocamento do satélite em sentido leste-oeste e oeste-leste, segundo um ângulo de varredura de 7, ETM+: Thematic Mapper Realçado O sensor ETM opera nas mesmas bandas do TM (pequena alteração nos intervalos), com inovação da banda pancromática com 15 metros de resolução, operando na faixa de 0,52 m a 0,90 m, conforme ilustrado na tabela 6. Tabela 6 - Bandas ETM+ Banda Faixa espectral ( m) Resolução espacial (m) 1 0,45 0, ,525 0, ,63 0, ,75 0, ,55 1, ,40 12, ,09 2,35 30 Pan 0,52-0,90 15 Fonte: Adaptação em 21/10/1998

52 Sistema SPOT O programa Spot foi projetado como um sistema operacional e comercial. Foi estabelecido pelo governo francês em 1978, com a participação da Suécia e Bélgica. O programa é gerenciado pelo Centro de Estudos Espaciais - CNES na França, órgão responsável pelo desenvolvimento do mesmo e pela operação dos satélites. Os satélites do programa Spot (1, 2 e 3) possuem dois sensores idênticos e o Spot 4, atualmente em uso, possui a bordo os sensores conhecidos por Vegetation e HRVIR High Resolution Visible InfraRed, que obtêm informações da superfície terrestre. O sistema Spot é um programa parecido com o Landsat. Os satélites podem ser alterados para abrigar diferentes cargas úteis, sistemas sensores que visam captar informações dos alvos presentes na superfície terrestre. Possui a bordo dois sensores idênticos denominados HRV High Resolution Visible (visão de alta resolução); suas imagens recobrem uma área no terreno equivalente a 60 x 60 Km, podendo chegar a 117 x 60 Km, fornecendo imagens com resoluções de 10 e 20 m, dependendo do modo. Possui ainda a possibilidade de estereoscopia, o que é de grande importância para certas áreas, por exemplo, a Cartografia.

53 51 O sistema Spot é composto pelo satélite, instrumentos e estação de rastreamento, recepção e processamento dos dados, conforme mostra a figura 7. FIGURA 7 - Componentes do sistema Spot Fonte: SPOT IMAGE (1986) O satélite possui vários subsistemas com as seguintes funções: controle da órbita, estabilização em três eixos, suprimento de energia, manutenção das funções de telemetria e transmissão, recepção de comandos, monitoramento e programação da carga útil.

54 52 O sensor HRV a bordo do Spot 3 foi criado para operar em dois modos diferentes. Um denominado modo multiespectral, que permite a aquisição de dados em três faixas, com resolução espacial de 20 metros; o segundo, conhecido por modo pancromático, com resolução de 10 metros e uma faixa espectral. A Tabela 7 ilustra estas faixas e suas aplicações. Tabela 7 Características e aplicações das bandas Spot Canal Faixa espectral Principais aplicações Resolução ( m ) espacial (m) 1 0,50-0,59 - Reflectância de vegetação verde sadia - Mapeamento de águas 20 - Absorção da clorofila 2 0,61-0,68 - Diferenciação de espécies vegetais - Diferenciação de solo e vegetação ,79-0,89 - Levantamento de fitomassa - Delineamento de corpos d água 20 Pan 0,51-0,73 - Estudo de áreas urbanas 10 Organizado por PEGORARI (2001) O Spot 4, diferente dos anteriores da sua série, possui dois novos sistemas sensores, a saber: HRVIR: É uma melhoria do sensor HRV. Possui as mesmas bandas dos Spot 1, 2, e 3 mais uma no Infravermelho próximo (1,5 a 1,75

55 53 m). Esta nova banda oferece uma melhor discriminação entre culturas e cobertura de plantas, e entre solos e formações geológicas. É particularmente sensível ao conteúdo de água dos solos, da folhagem e da estrutura da cobertura das plantas. Vegetation: Possui as mesmas bandas do HRVIR mais uma banda experimental (0,43-0,47 m) que gera imagem do globo inteiro com resolução espacial de 1 Km a cada 24 horas. 2.5 AVHRR Os satélites meteorológicos foram desenvolvidos especialmente para assistir na predição e monitoramento do tempo e, geralmente, incorporam sensores que têm resolução espacial muito pobre se comparada a sistemas orientados para o estudo do uso da terra. Em contrapartida, os satélites meteorológicos oferecem a vantagem de cobertura global com resolução temporal muito alta. Os dados obtidos por esses satélites são úteis em aplicações de recursos naturais possibilitando o mapeamento de grandes áreas sem a preocupação com os detalhes. Vários países lançam diferentes tipos de satélites meteorológicos, sendo que os mais conhecidos são as séries NOAA e GOES. A série NOAA carrega a bordo o sensor AVHRR Advanced Very High Resolution Radiometer que oferece imagens no visível e no infravermelho, operando de dia e de noite. Constitui-se de um radiômetro multiespectral acoplado

56 54 a um sistema de varredura transversal à trajetória do satélite que fornece imagens em vários canais no visível e no infravermelho, permitindo avaliações precisas de gelo, massas d água, condições das nuvens e temperaturas da superfície do mar. Apresenta uma resolução no nadir de aproximadamente 1,1 km para uma altitude de 844 km (Wetzel, 1995). Tabela 8 - Características e aplicações das bandas AVHRR Canal Faixa espectral ( m ) Principais aplicações 1 0,58-0,68 - Mapeamento diurno de nuvens, gelo e neve - Delimitação de massa d água 2 0,725-1,10 - Avaliação de vegetação e agricultura - Temperatura da superfície do mar - Mapeamento noturno de nuvens 3 3,55-3,93 - Detecção de queimadas - Atividades vulcânicas - Temperatura da superfície do mar - Mapeamento diurno e noturno de nuvens 4 10,33-11,30 - Umidade do solo - Atividades vulcânicas 5 11,50 12,50 - Temperatura do mar - Umidade do solo Fonte: Adaptação em 21/10/1998

57 Sistema AVIRIS AVIRIS, abreviação de Airbone Visible Infrared Imaging Spectrometer, é a segunda geração de espectrômetros imageadores desenvolvidos pelo JPL para uso em Sensoriamento Remoto. Seu projeto e construção foram iniciados em 1984 e completados em junho de Após sua calibração em laboratório, seu vôo operacional deu-se em 25 de junho de 1987 (Latorre et al, 1998). Este sensor foi projetado para tirar vantagens no diagnóstico das feições da absorção tipicamente estreitas, que ocorrem nos materiais da superfície terrestre. É um sensor óptico único que fornece imagens calibradas da radiância espectral acima de 224 canais contínuos de espectro (também chamadas bandas) de aproximadamente 10 nanômetros (nm), permitindo cobrir uma área no terreno entre 400 e 2500 nanômetros (nm). Quando os dados de cada detetor são traçados em um gráfico, os mesmos produzem um espectro. A comparação do espectro resultante com essas substâncias conhecidas revela informações sobre a composição da área sendo vista pelo instrumento. O instrumento voa a bordo de um avião NASA ER-2 (um avião U2 modificado para aumentar o desempenho) a aproximadamente 20 Km acima do nível do mar, a aproximadamente 730 Km/h. O AVIRIS tem passado pelos Estados Unidos, pelo Canadá e pelos países da Europa.

58 56 AVIRIS usa um espelho que varre de um lado a outro produzindo 614 pixels para os 224 detetores de cada varredura. Cada pixel produzido pelo instrumento cobre aproximadamente uma área de 20 x 20 metros no terreno (com alguma sobreposição entre pixels), assim rendendo a cada cobertura da Terra aproximadamente 11 km de largura. Os dados no terreno são registrados a bordo do instrumento (junto com dados da navegação e da engenharia) e as leituras a bordo do calibrador de AVIRIS. Quando todos estes dados do terreno são processados e armazenados, produzem aproximadamente 140 megabytes (Mb) para cada 512 varreduras (ou linhas) de dados. Cada 512 conjuntos de linhas de dados é chamada uma cena. A cada hora de vôo do AVIRIS, o instrumento faz várias coletas de dados (também conhecidas como linhas de vôo). Uma fita de armazenamento cheia de dados do AVIRIS pode chegar a quase 16 gigabytes (Gb) de dados por dia.

59 57 FIGURA 8 Instrumento a bordo do avião NASA ER-2 Fonte: Adaptada de em 17/07/2000 O principal objetivo do projeto AVIRIS é identificar, medir e monitorar os elementos constituintes da superfície e da atmosfera da Terra, através da análise das assinaturas espectrais dos alvos. As principais áreas de pesquisa e aplicações do AVIRIS são: Ecologia: clorofila, água da folha, celulose, pigmentos, estrutura, espécie da vegetação e mapas da comunidade; Águas costeiras e do interior: clorofila, plancton, compostos orgânicos dissolvidos, sedimentos, composição inferior, levantamento batimétrico; Geologia e solos: mineralogia, tipo do solo;

60 58 Hidrologia da neve e do gelo: a fração da tampa da neve, granizo, as impurezas; Estudo de nuvens e atmosfera: vapor de água, propriedades das nuvens, aerosóis, gases absorventes; Biomassa que se queima: fumo, produtos da combustão; Perigos ambientais: contaminadores diretos e indiretos, carcaça geológica; Calibração: sensores do avião e do satélite, simulação do sensor, validação padrão; Modelagem: validação e confinamento radiativo do modelo de transferência; Aplicações Comerciais: exploração, agricultura e status minerais da floresta; Algoritmos: correção atmosférica autônoma, derivação avançada do espectro; Outro: infraestrutura humana Espectro de AVIRIS A figura 9 mostra um exemplo de um único espectro do pixel de AVIRIS. O eixo x é o comprimento de onda do canal em micrômetros, também conhecidos como microns (1 micron = 1000 nanômetros). O eixo y é a radiância,

61 59 normalmente expresso em unidades de microwats por centímetro quadrado, por nanômetro, por radiância ou W/(cm 2 /nm/sr). FIGURA 9 Espectro de AVIRIS Fonte: Adaptada de 17/07/2000 A forma geral de um espectro de AVIRIS é denominada pela curva do Sol e das características de absorção da atmosfera. A atmosfera absorve a luz nos comprimentos de onda que correspondem aos comprimentos de onda de absorção dos componentes da atmosfera: nitrogênio, oxigênio, dióxido de