CORREÇÕES ATMOSFÉRICAS DE IMAGENS DE SATÉLITES UTILIZANDO O MODELO 6S

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1 CORREÇÕES ATMOSFÉRICAS DE IMAGENS DE SATÉLITES UTILIZANDO O MODELO 6S Mauro Antonio Homem Antunes*, Renata Maria Borges Freire, Alan da Silva Botelho, Lucia Helena Toniolli Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro Instituto de Tecnologia, Departamento de Engenharia BR 6, km 7, CEP: Seropédica RJ * mantunes@ufrrj.br RESUMO Este artigo apresenta e avalia o modelo 6S para correção atmosférica de imagens. O modelo foi avaliado para uma imagem TM do Landsat e outra do ETM+ do Landsat 7, respectivamente de 3//198 e 9/6/, ambas da cena WRS 17_76. Os resultados mostraram que as imagens sem correção não representaram a reflectância característica dos alvos avaliados (vegetação, água e área urbana), ao passo que a correção atmosférica permitiu a obtenção de valores de reflectância características de cada alvo. Conclui-se que o modelo 6S é recomendável para a correção atmosférica de imagens de sensoriamento remoto. ABSTRACT This paper presents the use of 6S model for atmospheric corrections of satellite images and an evaluation of the atmospheric correction performance is carried out. Landsat TM and Landsat 7 ETM+ images of /3/198 and 6/9/, path 17 row 76, were used to evaluate atmospheric corrections with the model. Reflectances from uncorrected images did not represent the characteristic reflectances for the targets used in the evaluation (vegetation, water and urban area). The atmospheric corrections allowed the retrieval of target reflectances that were in accordance with typical values of these targets. The conclusion is that the 6S model is recommended for atmospheric corrections of remotely sensed images. 1 INTRODUÇÃO As imagens obtidas por sensores remotos são o produto de interações da radiação com a atmosfera e com a superfície. Na maioria das aplicações o alvo de interesse é a superfície e o sinal da atmosfera pode ser considerado como um ruído que atrapalha na obtenção de informações sobre os alvos de interesse. A reflectância obtida da mistura de sinal da atmosfera e da superfície é dita reflectância aparente ou reflectância planetária, sendo reflectância definido como a razão entre o fluxo refletido pelo alvo dividido pelo fluxo incidente no mesmo. As correções atmosféricas podem ser feitas através de modelos de transferência radiativa ou através de métodos empíricos (Mather, 1999). O método empírico mais utilizado é o da subtração do valor do pixel mais escuro (Chavez, 1988). No entanto, neste método a correção atmosférica é realizada sem um embasamento físico que permita a aplicação em condições variadas tanto de superfície como de atmosfera. Os modelos de transferência radiativa para a atmosfera permitem a realização de correções com a utilização de parâmetros da atmosfera local e por conseqüência permitem um melhor embasamento físico nas correções. Os objetivos desse trabalho são: apresentar a adaptação do modelo 6S (Second Simulation of Satellite Signal in the Solar Spectrum) para a correção atmosférica de imagens de sensoriamento remoto; avaliar o desempenho do modelo para condições variadas de alvos, atmosfera e altitude. O MODELO 6S O modelo 6S ( Second Simulation of the Satellite Signal in the Solar Spectrum) foi desenvolvido para a simulação do sinal de sensores remotos entre, µm a, µm (Vermote et al. 1997). No presente trabalho este é adaptado para a correção atmosférica de imagens obtidas por sensores remotos. A radiação interage com a atmosfera causando absorção ou espalhamento (Deschamps et al., 1983), sendo que o espalhamento poder ser também produto de múltiplas

2 interações. As componentes do efeito atmosférico na irradiância sobre a superfície e na radiância que chega ao sensor são mostradas na Figura 1, onde A significa absorção e S espalhamento. As componentes A 1 e S 1 retiram radiação do feixe que incide sobre o ponto P. S é uma componente da radiação atmosférica que é adicionada ao fluxo incidente na superfície, sendo portanto a radiação difusa incidente. O fluxo refletido pela superfície em direção ao sensor é subtraído pelas componentes A e S. À radiação refletida pelo alvo na direção do sensor é adicionada pela atmosfera as componentes S e S, sendo S 3 espalhada do fluxo solar e S uma componente refletida pelo ambiente em volta do alvo e posteriormente espalhada na direção do sensor. A absorção ocorre pelas moléculas da atmosfera enquanto que o espalhamento pode ser causado pelas moléculas (espalhamento Rayleigh) e pelos aerossóis (espalhamento Mie). A descrição destes Sensor 3 gases e o espalhamento por aerossóis e moléculas. A absorção subtrai radiação de um feixe enquanto que o espalhamento subtrai e adiciona radiação a um feixe em uma dada direção. O modelo 6S pode ser obtido no permite a escolha da configuração geométrica de satélites específicos, como Landsat e Landsat 7. As condições de iluminação são obtidas a partir da data, hora e das coordenadas da imagem. Os modelos de atmosfera e de aerossóis podem ser escolhidos de um grupo de modelos pré-estabelecidos ou o usuário pode estabelecer as características da atmosfera através de sondagens. Estes são encontrados na Tabela 1. A concentração de aerossóis é obtida a partir da visibilidade horizontal, dada em quilômetros. Além destes parâmetros devem ser fornecidos a altitude do terreno e localização de sensor, se a bordo de satélite ou a altitude do mesmo se este estiver à bordo de aeronave. No modelo adaptado para correções atmosféricas de imagens deve-se fornecer também se os dados estão em reflectância ou radiância escalonadas de a. Por último deve-se fornecer o tamanho da imagem em bytes, que é igual ao número de pixels da imagem. TABELA 1 MODELOS DE ATMOSFERA GASOSA E DE AEROSSÓIS NO 6S E OS NÚMEROS CORRESPONDENTES DA OPÇÃO Q S A S P A 1 S S 3 1 Fig. 1 Componentes dos efeitos atmosféricos na irradiância sobre o alvo e na radiância que chega ao sensor A determinação de cada componente consiste na solução da equação fundamental da transferência radiativa. A maior ou menor contribuição de cada componente vai depender das condições atmosféricas locais e da situação do alvo, como altitude e latitude, além da época de aquisição da imagem. O modelo original pode ser obtido gratuitamente através da Internet e este foi o principal motivador da adaptação deste modelo ao invés de utilizar outros modelos. s como o Lowtran e o Modtran, requerem a obtenção de licenças de uso o que na maioria dos casos inviabiliza a sua utilização. O modelo 6S adaptado pode ser obtido através da internet na página do Departamento de Engenharia da UFRRJ, sendo tanto o código fonte (em Fortran ) como o executável disponíveis para ser baixado. Os processos radiativos da atmosfera que afetam o fluxo tanto incidente como refletido são a absorção por S Sol Superfície de atmosfera: Sem absorção gasosa 1 Tropical Latitude media no verão 3 Latitude media no inverno Subártico no verão Subártico no inverno 6 padrão US 6 7 de usuário (de radiosonda) de aerossóis: Sem aerossóis 1 Continental Marítimo 3 Urbano do usuário de deserto 6 Queima de biomassa (queimadas) 7 Estratosférico 8-1 s do usuário Outros parâmetros necessários são: latitude e longitude, hora de obtenção da imagem, altitude do alvo, altitude do sensor e visibilidade horizontal. Através da edição do código fonte é possível também a adaptação do mesmo para outras condições não implementadas específicas de cada aplicação, embora para a maioria das aplicações isto não seja necessário.

3 3 MATERIAL E MÉTODOS Duas imagens, uma do TM Landsat e outra do ETM+ Landsat 7, ambas da cena 17_76, foram georeferenciadas no software SPRING. Foram utilizadas as bandas de 1 a e 7 dos dois sensores, as quais têm as faixas espectrais conforme a Tabela. A faixa da função de filtro utilizada no 6S é mais larga do que a banda porque se estende a toda faixa em que o sensor tem resposta. A faixa da banda normalmente publicada é aquela em que o sensor apresenta uma sensibilidade superior a %. Banda TABELA FAIXAS ESPECTRAIS DAS BANDAS UTILIZADAS. Faixa do espectro Comprimento s de onda Faixas da função de filtro Satélite Landsat TM TM 1 Azul,-,3,3-,6 TM Verde,-,6,-,6 TM 3 Vermelho,63-,69,8-,7 TM,76-,9,73-,9 TM 1,-1,7 1,-1,89 TM 7,8 - médio,3 1,9-,1 Satélite Landsat 7 ETM+ ETM+ 1 Azul,-,1,3-, ETM+ Verde,-,6,6-,61 ETM+ 3 Vermelho,63-,69,6-,7 ETM+ ETM+ ETM+ 7 médio,7-,9,71-,911 1,-1,7 1,1-1,79,9-,3,-,38 Estas imagens foram então calibradas e transformadas em radiância (em W/Esterradiano/m - /µm) através da fórmula (Thome et al., 1987): L max L min L λ = ( Qcal max Qcal min) + L min Qcal max Qcal min Sendo os valores de Lmax e Lmin os valores máximos e mínimos de radiância (W/Esterradiano/m - /µm) fornecidas através da calibração do sensor, e Qcalmin e Qcalmax são o valor mínimo e máximo de níveis de cinza utilizado na quantização dos dados. Posteriormente as imagens são transformadas para reflectância planetária: ρ ap sol s (1) π Lλ d =, () E cosθ sendo: π = ângulo sólido em Esterradiano; d = distância Sol-Terra em unidades astronômicas; E = irradiância solar para uma dada banda em Sol W/m - /µm; θ = ângulo zenital solar. s Para se obter uma melhor parametrização das variáveis de entrada, foram escolhidas áreas na cena que possibilitam uma melhor avaliação do modelo (Tabela 3). Estas áreas foram escolhidas por terem diversas altitudes e alvos com características diferentes. Para cada alvo foram selecionados pixels uniformes para as quais foram feitas as correções atmosféricas. A razão para se utilizar alvos com um pequeno número de pixels foi para permitir uma maior uniformidade dentro da cena corrigida para os efeitos atmosféricos. TABELA 3 - ÁREAS UTILIZADAS PARA CORREÇÕES ATMOSFÉRICAS E PARÂMETROS DE ENTRADA Altitude (m) Visibilidade (Km) Água do Mar Água de represa Vegetação nativa Vegetação plantada (eucaliptos) 3 1 Área Urbana de Aerossóis Oceânico Continental Continental Continental Urbano Para todos os alvos foi utilizado um modelo tropical de atmosfera. A concentração de aerossóis foi obtida através de uma visualização da cena principalmente nas bandas do visível. Os segmentos de imagens a serem corrigidas para atmosfera foram salvos em arquivos brutos, ou seja, em arquivos binários de 8 bits sem qualquer tipo de cabeçalho. Neste tipo de arquivo o número de pixels da imagem equivale ao tamanho da mesma em bytes. A comparação dos resultados do modelo com as imagens sem correção atmosférica foi realizada através de gráficos e através de testes estatísticos. RESULTADOS E DISCUSSÃO A Figura apresenta curvas características da reflectância de água, vegetação (gramado) e área urbana, sendo que esta apresenta uma mistura de asfalto, concreto, solo e vegetação. Esta figura nos mostra o formato das curvas sendo os valores numéricos de menor importância

4 para as comparações uma vez que a reflectância varia com as condições de cada alvo. As figuras 3 a 7 abaixo apresentam as comparações entre os valores de reflectância sem correção e corrigidos para a atmosfera. 1 1 Refletância A Figura 3 apresenta os resultados para a água ao nível do mar. Verifica-se que a reflectância aparente na banda 1 é 8 % maior do que aquela da imagem corrigida, e tanto os valores de reflectância como as diferenças entre sem correção e corrigida diminuem à medida que aumenta a o comprimento de onda (banda), começando com % na banda do azul para a reflectância corrigida para a atmosfera. O resultado da correção atmosférica está em conformidade com o que é esperado para reflectância da água mostrada na Figura Água Asfalto Concreto Gramado Solo,,6,8 1, 1, 1, 1,6 1,8,,, Comprimento de onda (um) Fig. 3 - Reflectância da água do mar sem correção e corrigida pelo modelo 6S, sensor TM. Média de pixels Fig. Curvas de reflectância para água, asfalto, concreto, vegetação de gramado e solo exposto Para a água do reservatório a 3 m de altitude foi observado o mesmo padrão para a reflectância planetária, ao passo que a reflectância corrigida apresentou um padrão diferente daquela da água ao nível do mar. Ficou evidente que a curva de reflectância planetária não foi capaz de detectar o aumento de reflectância na banda em decorrência de uma maior concentração de clorofila em relação a água do mar. Já a reflectância da imagem corrigida mostra claramente esta característica espectral da água com clorofila devido à presença de algas. Isto mostra a importância da correção atmosférica para estudos de água em que se pretende quantificar a quantidade de material suspenso na água. Fig. - Reflectância da água represada a uma altitude de 3m sem correção e corrigida pelo modelo 6S, sensor TM. Média de pixels Os gráficos para a vegetação mostram que a reflectância planetária decresce da banda 1 para a banda 3, aumenta da banda 3 para a banda e desta para a banda 7 decresce (Figura ). No entanto esse padrão de comportamento no visível não é típico da vegetação, conforme pode ser verificado na Figura. A correção atmosférica permitiu a recuperação de valores de reflectância mais s para a vegetação, com um ligeiro aumento da reflectância na faixa do verde (banda ). Observa-se também que o efeito atmosférico nas bandas do visível é aditivo, ou seja, mais radiação é adicionada pela atmosfera do que é retirada, fazendo com que a correção atmosférica cause uma diminuição nos valores de reflectância da superfície. Esse efeito é mais pronunciado na banda 1 devido ao espalhamento Rayleigh. Já nas bandas

5 , e 7 o efeito atmosférico é subtrativo, principalmente devido à absorção pelas moléculas de água. Isto faz com que a imagem corrigida tenha um aumento nos valores de reflectância da superfície em relação à reflectância planetária. Isto mostra que a simples subtração do pixel escuro para todas as bandas pode levar a erros nas correções atmosféricas uma vez que os efeitos são diferenciados entre as bandas do visível e do infravermelho e médio, e os efeitos são quantitativamente diferentes para cada banda. Para vegetação a 1 m de altitude o padrão foi similar (Figura 6). As diferenças em valores de reflectância da superfície em relação à vegetação de eucaliptos (a m de altitude) são devidas a diferenças de densidade de folhagens entre as duas superfícies vegetadas Fig. 6 - Reflectância da vegetação a uma altitude de 1m sem correção e corrigida pelo modelo 6S, sensor TM. Média de pixels Para as bandas da imagem ETM+ do Landsat 7 os resultados são similares àqueles obtidos para a imagem do TM Landsat, com pequenas diferenças devido a mudanças na reflectância dos alvos entre as duas datas e também por ser maior a visibilidade para a imagem ETM+ do Landsat Fig. - Reflectância da vegetação a uma altitude de m sem correção e corrigida pelo modelo 6S, sensor TM. Média de pixels A análise estatística para cada superfície e cada sensor, composta de pixels cada, mostrou que as médias de reflectância entre os alvos para cada uma das duas datas para as bandas mostrou que os dados corrigidos são significativamente diferentes daqueles não corrigidos para os efeitos da atmosfera, mostrando assim que o modelo aplicado causou correções significativas nas imagens Para a área urbana (Figura 7) o padrão da reflectância corrigida para a atmosfera mostra um acréscimo entre as bandas 1 e, característico das áreas construídas. As maiores diferenças entre os valores de reflectância corrigida e sem correção ocorreram para banda 1 e para as bandas, e 7. Na banda 1 o efeito foi aditivo devido o espalhamento Rayleigh enquanto que nas bandas, e 7 o efeito foi subtrativo, devido à absorção pela água. Fig. 7 - Reflectância de uma área urbana sem correção e corrigida pelo modelo 6S, sensor TM. Média de pixels As análises estatísticas através do teste t pareado mostraram que as diferenças entre os valores de reflectância da superfície (corrigida para atmosfera) e reflectância planetária (sem correção) foram significativas. A banda 1 foi a que apresentou maiores diferenças e a banda foi a que apresentou menores diferenças.

6 CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES As análises dos resultados apresentados mostram que o modelo foi capaz de corrigir as imagens de satélites para os efeitos atmosféricos e os testes estatísticos mostraram que as diferenças foram significativas. As correções atmosféricas foram corretas tanto para alvos s e ao nível médio do mar como para aqueles de maior altitude, como é o caso da vegetação a 1 m de altitude. As correções foram também corretas tanto para alvos escuros como para alvos mais claros em todas as bandas analisadas. O parâmetro utilizado para essa conclusão é o fato de os valores de reflectância sem correção não serem característicos dos alvos e após as correções atmosféricas os valores de reflectância passaram a ser representativos destes alvos, assemelhando-se mais às curvas espectrais dos mesmos. Mather, P. M., 1999, Computer Processing of Remotely- Sensed Images: An Introduction, John Wiley & Sons, New York, 3 p. Thome,K., B. Markham, J. Barker, P. Slater, S. Biggar, 1987, Radiometric Calibration of Landsat, Photogrammetric Engineering & Remote Sensing, Vol. 63, pp Vermote, E.F.; D. Tanré, J. L. Deuzé, M. Herman, J.-J. Morcrete, 1997, Second Simulation of the Satellite Signal in the Solar Spectrum, 6S: An overview. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. Vol. 3. N 3, pp A escolha dos parâmetros de entrada no modelo requer cuidados para que estes sejam representativos das condições atmosféricas locais. Os modelos de atmosfera gasosa e de aerossóis pré-estabelecidos dentro do 6S são suficientes para maioria das condições. No caso da visibilidade, uma inspeção na imagem e as características do local bem como da época fornecem subsídios suficientes para a obtenção deste parâmetro. Mesmo tendo de escolher os modelos de atmosfera gasosa e de aerossóis a aplicação da correção atmosférica com o modelo 6S apresentado é mais fisicamente embasado do que a utilização dos métodos empíricos como a de subtração do valor de pixel escuro proposto na literatura. Os efeitos atmosféricos foram diferentes quantitativamente para cada banda e para cada alvo, e para as bandas 1 a 3 os efeitos foram aditivos, enquanto que para as bandas, e 7 foram subtrativos. Isso reforça a afirmação de que a simples subtração do pixel escuro para todas as bandas pode levar a erros nas correções atmosféricas uma vez que os efeitos são diferenciados entre as bandas do visível e do infravermelho e médio. A conclusão final é que recomenda-se o uso do modelo 6S adaptado para correção atmosférica de imagens coletadas pelos sensores remotos. 6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Chavez, P. S., Jr., 1988, An improved dark object subtraction technique for atmospheric scattering correction of multi-spectral data. Remote Sensing of Environment,, Deschamps, P. Y., Hatman, M., Tanré, D., 1983, Definitions of atmospheric radiance and transmittances in remote sensing. Remote Sensing of Environment, 13, 89-9.