CURSO DE INTRODUÇÃO ÀS TÉCNICAS DE SENSORIAMENTO REMOTO

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1 CURSO DE INTRODUÇÃO ÀS TÉCNICAS DE SENSORIAMENTO REMOTO Belém, Novembro de 2007

2 CURSO DE INTRODUÇÃO ÀS TÉCNICAS DE SENSORIAMENTO REMOTO Apostila elaborada por: ADRIANO VENTURIERI Eng. Agr., M. Sc. em Sensoriamento Remoto; D. Sc. em Geografia Novembro de 2007

3 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO PRINCÍPIOS FÍSICOS DE SENSORIAMENTO REMOTO CONCEITOS BÁSICOS Elementos da fase de aquisição Radiação eletromagnética Espectro eletromagnético CONCEITOS RADIOMÉTRICOS Comportamento espectral de alvos Fontes de radiação eletromagnética Efeitos atmosféricos Geometria de aquisição Superfícies dos alvos COMPORTAMENTO ESPECTRAL DA VEGETAÇÃO COMPORTAMENTO ESPECTRAL DA VEGETAÇÃO Interação da REM com os dosséis vegetais Particularidades sobre a aparência da vegetação em imagens orbitais COMPORTAMENTO ESPECTRAL DOS SOLOS CARACTERÍSTICAS ESPECTRAIS DO SOLO Umidade Matéria orgânica Granulometria Óxidos de ferro Mineralogia das argilas Material de origem COMPORTAMENTO ESPECTRAL DE MINERAIS E ROCHAS CARACTERÍSTICAS ESPECTRAIS DE MINERAIS E ROCHAS Rochas ígneas Rochas sedimentares Rochas metamórficas COMPORTAMENTO ESPECTRAL DA ÁGUA CARACTERÍSTICAS ESPECTRAIS DA ÁGUA COMPORTAMENTO ESPECTRAL DA ÁGUA Propriedades ópticas da água Absorção no meio aquático O espalhamento no meio aquático SENSORES E PRODUROS SISTEMA SENSOR CLASSIFICAÇÃO DOS SISTEMAS SENSORES Quanto à transformação sofrida pela radiação Quanto à fonte de energia RESOLUÇÃO DO SISTEMA SENSOR...50

4 3 7.4 PRINCIPAIS SISTEMAS SENSORES Sensores fotográficos Sensores de microondas (radar) Sensores ópticos Sistema Landsat Sistema Spot Sistema Cbers Sistema Ikonos Sistema Quickbird INTERPRETAÇÃO VISUAL DE DADOS NÍVEL DE DETALHES FASES DE EXECUÇÃO ELEMENTOS DE FOTOINTERPRETAÇÃO Tonalidade (ou cor) Forma Padrão (ou estrutura) Textura Sombra FATORES CONDICIONANTES DOS PADRÕES LIMITAÇÕES NA ANÁLISE VISUAL COLORIMETRIA MÉTODOS DE INTERPRETAÇÃO VISUAL Métodos intuitivos Método das chaves Método sistemático PROCESSAMENTO DE IMAGENS DIGITAIS TÉCNICAS DE PRÉ-PROCESSAMENTO Correção atmosférica Correção radiométrica Correção geométrica e registro de imagens TÉCNICAS DE PROCESSAMENTO DE REALCE Ampliação linear de contraste Razão de bandas espectrais Transformação por componentes principais Filtragem TÉCNICAS DE SEGMENTAÇÃO Detecção de descontinuidades Agregamento de pixels TÉCNICAS DE CLASSIFICAÇÃO Classificação supervisionada Classificação não supervisionada Classificação híbrida...81 BIBLIOGRAFIAS CONSULTADAS...82

5 4 LISTA DE FIGURAS 2.1 Esquema representativo dos quatro elementos fundamentais das técnicas de sensoriamento remoto Elementos da fase de aquisição Flutuações dos campos elétrico (E) e magnético (M) de uma onda eletromagnética se propagando na direção Z Intensidade de energia solar no topo da atmosfera na superfície terrestre e de um corpo negro a 6000 o K Representação do espectro eletromagnético Representação gráfica dos possíveis ângulos de incidência sobre um alvo Representação esquemática do conceito de Radiância medida através de um sensor remotamente localizado Gráfico contendo as curvas de Reflectância para alguns recursos naturais Interação da REM com a estrutura de um objeto Variáveis geométricas de aquisição de dados que afetam as medidas de reflectância Comportamento da reflexão especular (a) e difusa (b) em uma superfície Comportamento espectral de alguns alvos da superfície terrestre Seção transversal de uma folha mostrando os possíveis caminhos da luz incidente Curva de reflectância típica de uma folha verde Comportamento da energia sobre uma folha verde Efeito do tamanho da partícula sobre o comportamento espectral dos solos Curvas de reflectância típicas para alguns solos Curvas de reflectância típicas para dois tipos de rochas Comportamento espectral da água em seus diferentes estados físicos Sub-cena de uma composição colorida das bandas 3 (Vermelho), 4 (Verde) e 5 (Azul) do sensor Thematic Mapper que mostra a porção oeste do reservatório da Usina Hidroelétrica de Tucuruí, próximo á cidade de Novo Repartimento Composição colorida dos canais 1 (azul), 2(verde) e 3 (vermelho) do sensor Thematic Mapper do satélite Landsat Relações entre as propriedades ópticas da água e a as propriedades biológicas, físicas, e químicas dos sistemas aquáticos Coeficiente de absorção da água pura Espectro de Absorção de Matéria Orgânica Dissolvida na Água Coeficiente de absorção da clorofila a diferentes concentrações Coeficiente de espalhamento da água pura Comportamento Espectral da água sob diferentes concentrações de sedimentos em suspensão e Composição colorido normal (TM1 (Azul), TM2 (Verde), TM3(Vermelho)) Influência da resolução espacial na definição de imagens Imagens de diferentes resoluções radiométricas: a) 2 níveis de cinza e b) 32 níveis de cinza Componentes básicos de um sistema fotográfico Representação diagramática de um sistema de imageamento de radar Configuração dos satélites da série Landsat: a) 5; b) Configurações dos satélites Spot Configuração do satélite Cbers Configuração do satélite Ikonos II Configuração do satélite Quickbird...63

6 8.1 Processo aditivo (a) e subtrativo (b) de formação de cores Sistema de coordenadas de uma imagem digital Histograma de uma imagem e de sua versão com ampliação linear de contraste Comportamento da transformação por componentes principais em uma distribuição bivariada Efeito dos filtros passa-alta (A) e passa-baixa (B) sobre imagens Representação de uma imagem digital: normal (a) e temática (b) Espaço de atributos onde os círculos concêntricos representam a probabilidade de um pixel pertencer às classes A, B e C, enquanto as linhas espessas constituem os limites de decisão para individualização de tais classes

7 6 LISTA DE TABELAS 1.1 Missões de Sensoriamento Remoto Orbital em Operação e Planejadas até Características de Órbita dos Satélites Landsat Principais Características dos Sensores MSS e TM e ETM Características dos Satélites Spot Principais Instrumentos Sensores do Satélite Spot Características dos Satélites Cbers Principais Instrumentos Sensores do Satélite Cbers Características do Satélite Ikonos Características do Sensor do Satélite Ikonos Característica do Satélite Quickbird Característica do Sensor do Satélite Quickbird....63

8 7 1 INTRODUÇÃO O Brasil iniciou os investimentos na capacitação de profissionais e no desenvolvimento de infra-estrutura que viabilizasse a aplicação das técnicas de sensoriamento remoto ao final da década de 1960, com a implantação do Projeto Sensoriamento Remoto no Instituto de Pesquisas Espaciais. No início dos anos 70, todas as atividades concentraram-se na recepção e na utilização de imagens orbitais MSS dos satélites da série Landsat. Contudo, o conhecimento disponível naquela época restringia-se à viabilização da identificação de feições específicas existentes na superfície terrestre que, por sua vez, possibilitou a elaboração de mapas temáticos variados. Em meados da década de 80, com o lançamento do sensor Thematic Mapper (TM) a bordo do satélite Landsat 4 e posteriormente do Landsat 5, uma nova fase do sensoriamento remoto teve inicio. Com uma resolução espacial mais fina e o maior número de faixas espectrais exploradas, em relação a seu antecessor MSS, o TM possibilitou novas aplicações das técnicas de sensoriamento remoto, incluindo não somente os mapeamentos temáticos como também, os estudos visando à quantificação de parâmetros biofísicos (por exemplo: biomassa florestal) mediante o uso dos dados radiométricos derivados das imagens geradas. Independentemente do caráter acadêmico das atividades vinculadas ao uso das técnicas de sensoriamento remoto, muitos dos trabalhos eram fruto de dissertações de mestrado ou teses de doutorado. Nesta época também, começaram a surgir às primeiras empresas voltadas à aplicação dessa tecnologia para atender a demandas de mercado. Essas empresas passaram a vender serviços, explorando os conhecimentos que foram sendo adquiridos por instituições de pesquisa como o Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE). Passaram também a desenvolver suas próprias soluções para problemas que foram surgindo como decorrência do atendimento de serviços cada vez mais sofisticados e específicos. Assim, o país passou a contar com inúmeras possibilidades de aplicação das técnicas de sensoriamento remoto, as quais vêm sofrendo até modificações de cunho conceitual. Os trabalhos que anteriormente se concentravam no uso de imagens orbitais ou de fotografias aéreas visando apenas o mapeamento de uma determinada feição ou classes de cobertura da superfície terrestre passaram a incluir a quantificação de parâmetros geofísicos e biofísicos, o que exigiu um aprofundamento dos conhecimentos dos princípios nos quais se baseiam as técnicas de sensoriamento remoto. Esse conhecimento faz-se cada vez mais necessário em função das novas possibilidades do uso de dados oriundos de sensores com resoluções espaciais cada vez mais finas e que estão possibilitando a realização de serviços considerados impossíveis de ser viabilizados através do uso dos sensores até então disponíveis como o MSS e TM. É o caso do sensor colocado a bordo do satélite IKONOS que tem como objetivo gerar imagens que possibilitem a identificação de objetos de dimensões em torno de de 4 a 5 metros, em faixas espectrais que vão do visível ao infravermelho próximo. Abrem-se então novas possibilidades na aplicação de dados gerados a partir das técnicas de sensoriamento remoto, criando alternativas para o desenvolvimento e aplicação de outras técnicas, agora denominadas técnicas de geoprocessamento ou simplesmente geotecnologias. O sensoriamento remoto passa agora a uma outra etapa de sua história no país. O objetivo desta publicação é fornecer algumas informações básicas sobre os princípios físicos nos quais se fundamentam as técnicas de sensoriamento remoto, apresentar os principais sistemas de coleta de dados, incluindo sistemas sensores fotográficos e eletroópticos, informar sobre as características espectrais dos principais recursos naturais, capacitar

9 8 os participantes na interpretação visual de imagens multiespectrais e informar sobre as principais possibilidades de aplicação das técnicas de Sensoriamento Remoto. Um breve histórico sobre o sensoriamento remoto O desenvolvimento inicial do sensoriamento remoto é cientificamente ligado ao desenvolvimento da fotografia e à pesquisa espacial. As fotografias aéreas foram o primeiro produto de sensoriamento remoto a ser utilizado, tanto é assim, que a fotogrametria e a fotointerpretação são termos muito anteriores ao termo sensoriamento remoto propriamente dito. A primeira fotografia de que se tem notícia foi obtida por Daguerre e Niepce em 1839 e já em 1840 o seu uso estava sendo recomendado para levantamentos topográficos. O desenvolvimento nesta direção foi tão rápido, que já em 1858 o Corpo de Engenharia da França estava utilizando fotografias tomadas a partir de balões para o mapeamento topográfico de amplas áreas do território francês. O advento do avião, simultaneamente ao desenvolvimento das câmaras fotográficas, filmes, etc. trouxeram um grande impulso às aplicações das fotografias para o levantamento de recursos naturais, visto que permitiu a obtenção de dados sob condições controladas e com a cobertura de áreas relativamente amplas. As primeiras fotografias aéreas foram tomadas em 1909 pelos irmãos Wright sobre o território italiano. As fotografias aéreas coloridas se tornaram disponíveis a partir de Nesta mesma época já haviam iniciado os estudos para a produção de filmes sensíveis à radiação infravermelha. Com o início da 2 a Grande Guerra começaram estudos sobre o processo de interação da radiação nessa faixa do espectro com os objetos com a finalidade de utilizar filmes infravermelhos para a detecção de camuflagem. Em 1956 foram iniciadas as primeiras aplicações sistemáticas de fotografias aéreas como fonte de informação para o mapeamento de formações vegetais nos Estados Unidos da América. No Brasil, datam de 1958 as primeiras fotografias aéreas na escala 1: obtidas com o propósito de levantar as características da Bacia Terciária do Vale do Rio Paraíba como parte de um extenso programa de aproveitamento de seus recursos hídricos que culminou com a retificação de seu médio curso entre Jacareí e Cachoeira Paulista, e com a construção dos reservatório hidrelétrico de Paraibuna. O termo sensoriamento remoto apareceu pela primeira vez na literatura científica em 1960 e significava simplesmente a aquisição de informações sem contato físico com os objetos. Desde então, esse termo tem abrigado tecnologia e conhecimentos extremamente complexos derivados de diferentes campos que vão desde a física, botânica passando pela engenharia eletrônica até a cartografia. O campo de sensoriamento remoto representa a convergência de conhecimento derivado de duas grandes linhas de pesquisa. De um lado, como já foi dito, o sensoriamento remoto é tributário da aerofotogrametria e da fotointerpretação, de outro lado, seu progresso se deve muito à pesquisa espacial e aos avanços tecnológicos por ela induzidos, resultando em sensores mais sensíveis, regiões espectrais ampliadas, métodos radiométricos, etc. Embora a radiação de microondas fosse conhecida desde o início do século e existissem sistemas de radar em operação desde a 2 a Grande Guerra, apenas na década de 60 o uso de sistemas radares como sistemas de sensoriamento remoto se tornaram operacionais. O Brasil representa um dos exemplos pioneiros de utilização de dados de radar aerotransportados para o levantamento de recursos naturais. A partir de 1970 teve início o Projeto Radar na Amazônia (RADAM) que permitiu o levantamento de 8,5 milhões de Km2

10 9 do território nacional até o fim da década de 80. Esse levantamento foi feito pelo sistema GEMS (Goodyear Eletronic Mapping System) operando na banda X (Trevett,1986). A década de 60, também, assistiu ao advento dos sistemas orbitais de sensoriamento remoto. Os primeiros sensores orbitais foram voltados para aplicações meteorológicas. Paralelamente houve também a utilização de câmaras fotográficas para a aquisição de fotografias da superfície terrestre durante as missões tripuladas da série Apolo. É assim que na década de 70 é lançado o primeiro satélite experimental de levantamento de recursos terrestres (Earth Resources Technology Satellite). Esse satélite, e o sensor multiespectral que leva a bordo tiveram tamanho sucesso, que o seu nome foi modificado para Landsat e se transformou no programa de sensoriamento remoto de mais longa duração já existente, com o 7 o satélite da série lançado em Em 1978 foi lançado o primeiro sistema orbital de radar, o SeaSat. Esse satélite, concebido para obter dados para o monitoramento da superfície oceânica manteve-se em operação por apenas 3 meses. Por razões controvertidas (informação classificada, alta taxa de dados para transmissão telemétrica, alta potência requerida para operação dos sensores, entre outras) fizeram com que dados orbitais de RADAR só voltassem a ser disponíveis na década de 90 com o lançamento do satélite soviético Almaz (1990), ERS-1 (1991), JERS-1 (1992) e RADARSAT (1995). Atualmente, existe um grande número de satélites de sensoriamento remoto em operação e outros planejados para entrar em operação. Algumas dessas missões encontram-se resumidas na Tabela 1.1. Maiores detalhes sobre essas missões podem ser encontrados em Kramer (1996). Tabela 1.1 Missões de Sensoriamento Remoto Orbital em Operação e Planejadas até Missão Lançamento País Landsat USA Spot França IRS-1B 1991 Índia ERS ESA IRS-1C 1995 Índia Radarsat Canadá IRS-1D 1997 Índia Spot França CBERS Brasil/China EOS-AM USA Ikonos USA IRS-P Índia KITSAT Corea Landsat USA CBERS Brasil ADEOS Japão EOS-PM USA EO USA EROS-A Israel QuickBird USA OrbView USA ARIES 2001 Austrália EROS-A Israel Envisat 2001 ESA IRS-P6 QuickBird-2 Radarsat-2 OrbView-4 ALOS IRS-P5 LightSar Spot-5 CBERS 2 CBERS 2B CBERS 3 CBERS Índia 2001 USA 2001 Canadá 2001 USA 2002 Japão 2002 Índia 2002 USA 2002 França 2003 Brasil/China 2007 Brasil/China 2009 Brasil/China 2011 Brasil/China

11 10 Como pode se observado, o Brasil também se encontra arrolado entre países detentores de tecnologia para a aquisição de dados orbitais de sensoriamento. Em 1999, após 10 anos de desenvolvimento, o Brasil e a China lançaram com êxito relativo o satélite CBERS (China-Brazil Earth Resources Satellite). Esse satélite foi lançado com três sensores a bordo: uma câmara de amplo campo de visada (Wide Field Imager WFI), uma camara CCD (Coupled-Charged Device) e um sistema de varredura infra-vermelho (IRMSS- Infrared Multispectral System). Atualmente o Brasil está envolvido no projeto de mais duas missões de sensoriamento remoto de recursos terrestres: a missão SSR (Satélite de Sensoriamento Remoto) e a missão SABIA 3 (Satélite Argentino-Brasileiro de Informações sobre Água, Alimento e Ambiente). Além dessas perspectivas apresentadas há ainda aquelas referentes aos denominados micro-satélites, cujos objetivos variam segundo as mais variadas concepções adotadas. Como exemplo, destaca-se o SPIN-2, da União Soviética, dotado de resolução espacial de aproximadamente 2 m em seu modo pancromático.

12 11 2 PRINCÍPIOS FÍSICOS DE SENSORIAMENTO REMOTO A definição clássica do termo sensoriamento remoto (SR) refere-se a um conjunto de técnicas destinado à obtenção de informação sobre objetos, sem que haja contato físico com eles. Para melhor compreender esta definição, faz-se necessário identificar os quatro elementos fundamentais das técnicas de SR, os quais podem ser representados através do esquema apresentado na Figura 2.1. Fonte REM Sensor Alvo Fig. 2.1 Esquema representativo dos quatro elementos fundamentais das técnicas de sensoriamento remoto. No centro do triângulo deste esquema, encontra-se a Radiação Eletromagnética (REM), que é o elemento de ligação entre todos os demais que se encontram nos vértices. São eles: a fonte de REM, que para o caso da aplicação das técnicas de sensoriamento remoto no estudo dos recursos naturais é o Sol (pode ser também a Terra para os sensores passivos de micro-ondas e termais, podem ser antenas de micro-ondas para os sistemas radares); o sensor, que é o instrumento capaz de coletar e registrar a REM refletida ou emitida pelo objeto, que também é denominado alvo, e que representa o elemento do qual se pretende extrair informação. As técnicas de sensoriamento remoto evoluíram primariamente a partir de necessidades mlitares. A astronomia, a geofísica e a aerrofotogrametria clássica forneceram os elentos adicionais. Atualmente, essas técnicas estão sendo utilizadas para identificar, mapear e cadastrar os recursos naturais da Terra e controlar sua utilização pelo homem. Problemas correlatos, decorrentes da atividade humana (ocupação urbana, poluição e modificações ambientais), são também objeto do sensoriamento remoto. Nos últimos quinze anos, as pesquisas em sensoriamento remoto orbital tem produzido ferramentas cada vez mais sofisticadas, ampliando a sua aplicabilidade a uma grande gama de problemas ecológicos, urbanos e recursos naturais. Nesse intervalo de tempo, o sensoriamento remoto demonstrou efetivamente e eficientemente a sua habilidade em registrar, de modo significativo, uma grande quantidade de fenômenos do nosso ambiente. Só mais recentemente, algumas aplicações passaram do campo da pesquisa científica para um nível operacional. Nesse contexto, a seguir é feita uma fundamentação teórica de alguns aspectos mais relevantes ligados aos princípios físicos do sensoriamento remoto. 2.1 CONCEITOS BÁSICOS O termo sensoriamento remoto refere-se ao conjunto de atividades relacionadas com a aquisição, o processamento e a análise de dados coletados por sensores acoplados em

13 12 plataformas como aeronaves (aviões) e espaçonaves (satélites), com o objetivo de estudar o ambiente terrestre, considerando o fluxo de energia radiante emitido e/ou refletido pelos alvos que compõem a sua superfície. Em outras palavras, o termo sensoriamento remoto está ligado ao método que utiliza a REM modificada ou produzida pelas propriedades físicas e químicas de alvos relacionados com recursos naturais e ambientais da Terra, como meio para obter informações destes alvos remotamente, isto é, sem a necessidade de entrar em contato físico com os mesmos. Dentre os produtos gerados por sensores remotos destacam-se as fotografias aéreas e as imagens de satélite, os quais podem ser obtidos em várias escalas e faixas de radiação Elementos da fase de aquisição Considerando a metodologia para geração de informações na área de sensoriamento remoto no nível orbital, podem ser destacadas duas fases: a fase de Aquisição, relacionada com os processos de detecção e registro dos dados; e a fase de Análise, que compreende o tratamento e a interpretação dos dados obtidos. No caso da fase de aquisição, pode-se identificar a participação de elementos cuja influência nas características dos dados obtidos deve ser bem compreendida de modo a possibilitar uma correta interpretação. Dentre tais elementos destacam-se a energia radiante, a fonte, o alvo, a trajetória e o sensor. A atuação daqueles elementos em imagens coletadas a grandes altitudes pode ser visualizada esquematicamente na Figura 2.2. A energia radiante emitida pela fonte (sol), após atravessar a atmosfera (trajetória), irradia a superfície (alvo), sendo por ela refletida. Parte dessa energia atravessa novamente a atmosfera e é coletada pelo sistema sensor, onde é detectada e registrada. O fluxo de radiação eletromagnética (REM) ao se propagar pelo espaço interage com os diferentes alvos da superfície terrestre, sendo por estes refletido, absorvido e mesmo reemitido. As variações que essas interações produzem no fluxo considerado, dependem fortemente das propriedades físico-químicas dos alvos irradiados e o fluxo resultante constitui uma valiosa fonte de informações a respeito dos mesmos. Tal constatação, tem motivado a criação de dispositivos, que, situados a grande distâncias dos alvos de interesse, podem detectar e registrar o fluxo de radiação eletromagnética provenientes destes. Assim, os dados obtidos, geralmente sob a forma de gráficos ou imagens, são então analisados por especialistas na busca de informações que auxiliem no desenvolvimento de projetos de pesquisa e controle de recursos naturais e meio ambiente da Terra.

14 13 Fig. 2.2 Elementos da fase de aquisição Radiação eletromagnética Corresponde a forma de energia de interesse ao sensoriamento remoto, sendo a única que não necessita de um meio material para se propagar. O exemplo de energia radiante ou eletromagnética mais familiar e de maior relevância ao sensoriamento remoto é a energia solar, que se propaga pelo espaço desde o sol até a Terra. Para explicar a natureza da energia eletromagnética são empregados dois modelos, denominados de ondulatório e de corpuscular. No caso do modelo ondulatório, a radiação eletromagnética corresponde a toda a forma de energia que se propaga a velocidade da luz ( m/s), na forma de ondas. Uma onda eletromagnética é composta de duas componentes ou campos, um elétrico e outro magnético, simultâneos e dinâmicos, que vibram perpendicularmente a direção de propagação (Figura 2.3). Fig. 2.3 Flutuações dos campos elétrico (E) e magnético (M) de uma onda eletromagnética se propagando na direção Z. onde, X = plano de excitação do campo elétrico; Y = plano de excitação do campo magnético;

15 14 X = comprimento de onda; t = vetores E/M que representam o valor instântâneo do campo elétrico e/ou magnético. Vale salientar que as ondas eletromagnéticas se diferenciam entre si quanto à frequência e ao comprimento de onda. O comprimento de onda é a distância entre dois máximos sucessivos, ou seja, é a distância em que a onda se repete em dado instante. Por outro lado, a frequência de onda é o número de ondas que passa por um ponto do espaço num determinado tempo, sendo diretamente proporcional à velocidade de propagação da radiação. Como o comprimento de onda é inversamente proporcinal a frequência, quanto maior for a frequência com que uma carga elétrica é acelerada, menor será o comprimento de onda resultante. Embora a teoria ondulatória seja bastante adequada para longos comprimentos de onda e para exprimir os processos de propagação da REM, quando se trata dos processos de absorção e emissão de energia radiante e curtos comprimentos de onda, costuma-se usar a teoria corpuscular. Em tal teoria é considerado que a energia é emitida, absorvida ou propagada não de maneira contínua, mas sim em pequenas parcelas discretas de energia chamadas de quanta (plural de quantum) ou fótons. A quantidade de energia contida em cada fóton de um fluxo de radiação eletromagnética é diretamente proporcional à frequência e inversamente proporcional ao comprimento de onda a ele associado. A partir destes conceitos, podemos compreender que o elemento fundamental para o sensoriamento remoto é a REM, que no vácuo propaga-se à velocidade da luz e sua interação com o meio físico pode ser explicada através de dois modelos: o modelo corpuscular (ou quântico) e o ondulatório. Cada fonte de REM possui espectros próprios de radiação. O Sol radia a REM segundo o gráfico apresentado na Figura 2.4. Fig. 2.4 Intensidade de energia solar no topo da atmosfera na superfície terrestre e de um corpo negro a 6000 o K. Fonte: Swain e Davis (1978)

16 15 As faixas mais comumente exploradas para fins do SR dos recursos naturais são: visível, infravermelho próximo, infravermelho médio e microondas Espectro eletromagnético O espectro magnético pode ser conceituado como uma representação contínua da radiação eletromagnética em termos de comprimento de onda ou de frequência, como apresentado na Figura 2.5. Este espectro é subdividido em faixas, que representam regiões com certas características peculiares em termos dos processos físicos geradores de energia em cada faixa, ou dos mecanismos fisicos de detecção desta energia. Embora os limites de cada faixa espectral não sejam bem definidos, podem ser destacadas as seguintes regiões : Fig. 2.5 Representação do espectro eletromagnético. a) Ondas de Rádio - As ondas eletromagnéticas nesta faixa são utilizadas para comunicação à longa distância, pois, além de serem pouco atenuadas pela atmosfera, são refletidas pela ionosfera, propiciando uma propagação de longo alcance. b) Microondas - Em tal faixa de comprimento de onda, podem-se construir dispositivos capazes de produzir feixes de REM altamente concentrados, chamados radares, que podem ser usados como meio de sondagem. A radiação na faixa de microondas tem ampla utilização na área de sensoriamento remoto devido as suas características de sofrer pouca atenuação pela atmosfera e pelas nuvens. c) Infravermelho - Este tipo de radiação é de grande importância para o sensoriamento remoto devido as suas características específicas como a fácil absorção pela maioria das substâncias, nelas produzindo um efeito de aquecimento; a energia emitida pelos corpos aquecidos se situa principalmente nesta faixa. d) Visível - Corresponde a radiação capaz de produzir a sensação de visão para o olho humano normal, ocupando apenas uma pequena variação de comprimento de onda que vai do violeta ao vermelho. Tal radiação pode ser produzido por luminescência ou por corpos muito quentes. Os produtos de sensores remotos

17 16 obtidos na faixa do visível geralmente apresentam excelente correlação com a experiência visual do fotointérprete. e) Ultravioleta - Esta faixa compreende uma extensa faixa do espectro eletromagnético e embora mostre um relativo potencial de aplicações em sensoriamento remoto, a forte atenuação atmosférica nesta faixa se apresenta como um grande obstáculo paraa sua utilização. É interessante notar que as películas fotográficas são mais sensíveis à radiação ultravioleta que à luz visível. f) Raios-X - São gerados principalmente, pela parada ou freamento de elétrons de alta energia. Como fótons de alta energia, os raios-x são altamente penetrantes, sendo uma poderosa ferramenta em pesquisa sobre a estrutura da matéria; parte dos raios-x são muito utilizados na área médica. g) Raios-Gama - Constituem as mais penetrantes das emissões de substâncias radiativas. Não existe, em princípio, limite superior para a frequência das radiações gama, embora ainda seja encontrada uma faixa superior de frequência conhecida como raios cósmicos. As faixas que compreendem os raios-gama, raios-x e rádio não são empregadas em sensoriamento remoto. A faixa espectral que se estende de 0,3 a 15,0 µm, corresponde a amplitude aonde se situam a maioria dos experimentos em sensoriamento remoto. Tal região do espectro eletromagnético é conhecida por espectro óptico, pois nela os componentes ópticos de reflexão e refração, tais como, lentes, espelhos, prismas, etc., podem ser usados para coletar e reorientar a radiação. 2.2 CONCEITOS RADIOMÉTRICOS Para que se possa compreender melhor como se viabiliza a aplicação das técnicas de SR no estudo dos recursos naturais, faz-se necessária a apresentação de pelo menos quatro parâmetros radiométricos. O primeiro deles, refere-se à Irradiância. Em termos bastante simplificados, a Irradiância representa a intensidade do fluxo radiante, proveniente de todas as direções, que atinge uma dada superfície. A Figura 2.7 ilustra o aspecto geométrico mencionado. Vale salientar que neste fluxo radiante estão contidos todos os diversos comprimentos de onda que são radiados pela fonte, segundo suas próprias características, assim como apresentado na Figura 2.6 para a fonte Sol. Assim que um determinado fluxo radiante atinge uma superfície, ele sofre três fenômenos: reflexão, transmissão e absorção. Estes fenômenos são dependentes das características físico-químicas do próprio objeto, que definem as intensidades de reflexão, transmissão e absorção da REM em cada comprimento de onda incidente no objeto.

18 17 Fig. 2.6 Representação gráfica dos possíveis ângulos de incidência sobre um alvo. Fonte: Ponzoni e Disperati (1995) Imaginando então somente a porção refletida pelo objeto, um novo fluxo será originado em sentido contrário ao incidente, mas nas mesmas direções. A intensidade deste fluxo pode também ser quantificada e é expressa pela chamada Excitância. Parte deste fluxo refletido pelo objeto pode ser coletado por um sensor localizado remotamente. O termo parte refere-se a dois aspectos: um de ordem geométrica e outro de ordem espectral. O de ordem geométrica refere-se por sua vez ao fato de que não há instrumentos capazes de registrar a Excitância, uma vez que seria necessário o desenvolvimento de um sensor que envolvesse todo o objeto, o que comprometeria a incidência da REM. Evidentemente poderiam ser desenvolvidos métodos que permitissem sua estimativa, mas outra solução foi adotada. Para melhor compreender esta solução, a Figura 2.7 apresenta um esquema da trajetória da REM proveniente de um ponto da superfície de um objeto fictício. Todo sensor possui uma abertura pela qual a REM refletida, ou emitida, pelos objetos passa em direção ao chamado detetor, que é o elemento que realmente sente a REM. Essa abertura possui dimensões variáveis e dependentes das características tecnológicas do instrumento ou da própria natureza das operações de coleta de dados. De qualquer forma, entre esta abertura e o ponto da superfície do objeto passa a ser definido um cone por onde trafega a REM. Esse cone é denominado de ângulo sólido. Fica claro que somente a REM que estiver contida neste ângulo sólido será sentida pelo detetor, mas ao mesmo tempo, o sensor não observa somente um ponto na superfície e sim uma determinada área desta superfície, a qual é constituída por infinitos pontos. Assim, o que realmente é medido pelo sensor é a intensidade de todos os infinitos fluxos contidos nos ângulos sólidos dos pontos da área da qual ele é capaz de observar. Esta intensidade é denominada de Radiância. A Radiância é, portanto, a intensidade do fluxo radiante por unidade de ângulo sólido e seu conceito pode ser comparado ao conceito de brilho, ou seja, um objeto é considerado mais brilhante quanto maior for sua Radiância medida. O aspecto espectral refere-se ao fato de que a composição espectral do fluxo que deixa a superfície sofre alterações que são dependentes das suas características físicoquímicas. Assim, a Radiância medida por um sensor pode ser determinada para um intervalo específico de comprimentos de onda (região ou banda espectral). No esquema apresentado na Figura 2.7, fica claro que o sensor observa instantaneamente uma determinada porção da superfície do terreno. A área desta superfície define o chamado elemento de resolução espacial (pixel). Desta área é registrado um único valor de Radiância para cada faixa ou região espectral que o sensor é capaz de perceber a REM refletida ou emitida pelos objetos contidos em seu elemento de resolução espacial.

19 18 Fig. 2.7 Representação esquemática do conceito de Radiância medida através de um sensor remotamente localizado. Nota-se, portanto, a existência de dois principais aspectos intrínsecos às técnicas de SR: o aspecto espacial e o aspecto espectral. Estes aspectos são comumente denominados de domínios espacial e espectral, respectivamente. O domínio espacial é expresso pela resolução espacial do sensor, a qual é definida como a menor área da qual o sensor é capaz de registrar a REM. O domínio espectral referese à largura da faixa espectral que este mesmo sensor é sensível. Faixas mais largas conferem uma resolução espectral menor ao sensor. Contrariamente, elementos de resolução espacial menores conferem aos sensores maiores resoluções espaciais. Existe ainda um terceiro domínio que é o domínio temporal, o qual refere-se ao período de tempo compreendido entre duas coletas de dados sobre uma mesma superfície do terreno. Este domínio é expresso pela resolução temporal da plataforma que sustenta o sensor, podendo ser ela uma haste portátil, uma aeronave ou até mesmo um satélite. Diz-se que um sensor possui maiores resoluções temporais, quanto menores forem os períodos de tempo entre coletas de dados. Pelo já exposto, pode ser verificado que a Radiância é também dependente da intensidade do fluxo radiante que atinge o objeto (Irradiância). Quanto maior for essa intensidade, maior também será aquela referente ao fluxo que deixa o objeto, e consequentemente, maior será a Radiância. Para que se conheça as propriedades intrínsecas dos objetos em termos de sua interação com a REM, faz-se necessária a apresentação de mais um conceito importante que é o da Reflectância. A Reflectância representa uma relação entre a Radiância refletida de um dado objeto pela Irradiância. Nota-se portanto que a Reflectância expressa as propriedades instrínsecas dos objetos em refletir a REM sobre eles incidente. Ela é expressa em percentagem, possuindo então um caráter relativo. É através da Reflectância que são estudadas as características intrínsecas dos

20 19 objetos em refletir a REM incidente, pois ela é dependente das suas propriedades físicoquímicas. Este estudo é denominado de estudo do Comportamento espectral de alvos, cujos principais aspectos serão apresentados oportunamente Comportamento espectral de alvos O termo Comportamento espectral de alvos tem sido atribuído pelos profissionais que atuam na aplicação do SR no estudo dos recursos naturais, como ao estudo da Reflectância espectral destes recursos, quer sejam: vegetação, solos, minerais e rochas, água, etc. Em termos mais abrangentes, estudar como um objeto se comporta espectralmente, deveria contemplar os três fenômenos já mencionados que ocorrem após a incidência da REM sobre um dado objeto: reflexão, transmissão e absorção. Assim, o comportamento espectral de um alvo só é plenamente compreendido quando são estudadas suas propriedades de refletir, transmitir e absorver a REM. Contudo, serão enfatizadas aqui as propriedades de reflexão dos alvos (recursos naturais), uma vez que a maioria dos sensores atualmente disponíveis para o estudo dos recursos naturais, utilizam a REM refletida por eles. A caracterização de como e quanto um objeto reflete da REM pode ser feita em diversos níveis e formas. Nos primeiros estão incluídos os chamados níveis de aquisição de dados, os quais podem ser de laboratório, campo, aéreo e orbital. Em cada um destes níveis podem ser adotadas variadas formas, as quais incluem as chamadas geometrias de iluminação e de visada. A primeira refere-se ao posicionamento espacial da fonte de REM em relação ao objeto, enquanto que a segunda refere-se ao posicionamento espacial do sensor. Os níveis e as formas condicionam as caracterizações tornando seus resultados específicos para as situações nas quais foram concebidos. Este fato torna imprescindível que em qualquer caracterização da Reflectância espectral de um objeto, sejam bem descritas as condições de iluminação e visada adotadas, tanto no que se refere aos domínios espacial, espectral, temporal e ainda das suas geometrias. Os aspectos que serão apresentados a seguir referem-se às características básicas dos principais recursos naturais em refletir a REM sobre eles incidente. A Figura 4.1 ilustra um gráfico contendo as curvas de Reflectância de alguns recursos naturais e de alguns artefatos feitos pelo Homem. Como pode ser observado nesta Figura 1.6, na região do visível (0,4 a 0,7 µm) a maioria das curvas dos alvos apresentados encontram-se muito próximas entre si, em contraste com um maior distanciamento entre elas na região espectral (infravermelho próximo, de 0,7 a 0,9 µm). Isto indica que na região do visível, os alvos apresentam-se parecidos, enquanto que na região do infravermelho eles podem ser mais facilmente individualizados. Nos pontos de intersecção entre as curvas, os quais ocorrem com alguma freqüência em pontos específicos do espectro, diz-se que os alvos apresentam a mesma Reflectância, ou seja, eles assumem uma mesma aparência quando observados mediante alguma técnica de SR.

21 20 Fig. 2.8 Gráfico contendo as curvas de Reflectância para alguns recursos naturais. Estas curvas de Reflectância são curvas médias que somente ilustram as formas típicas dos alvos apresentados refletirem a REM sobre eles incidente. Servem então somente de base para formar uma idéia da reflexão destes alvos, não sendo possível sua generalização, uma vez que também não foram fornecidas informações adicionais sobre as condições (geométricas e dos próprios alvos) adotadas quando foram geradas. Esta forma típica é geralmente referenciada com o termo Assinatura Espectral. Através da análise de curvas como estas apresentadas na Figura 2.8, pode ser prevista a aparência de alvos em produtos de SR, tais como imagens orbitais e/ou fotografias aéreas. Esta aparência é expressa pela tonalidade (clara ou escura) assumida pelos alvos e dependendo do tipo de produto, ela ainda pode ser expressa pela cor e pela textura. O conhecimento sobre o comportamento espectral de alvos é, portanto, fundamental para a extração de informações a partir de produtos de SR, quer sejam fotografias, ou imagens. O estudo da interação da radiação eletromagnética com os alvos da superfície terrestre é realizado através da análise das propriedades espectrais dos mesmos. Quando um fluxo de REM irradia um objeto, podem acontecer três fenômenos : parte do fluxo é refletido; parte penetra no objeto, sendo progressivamente absorvido; e parte consegue atravessá-lo (transmitido), emergindo novamente para o espaço (Figura 2.9).

22 21 Fig. 2.9 Interação da REM com a estrutura de um objeto. onde, </>i = fluxo incidente <f> a = fluxo absorvido <p r = fluxo refletido <f) t = fluxo transmitido Neste contexto, considerando-se a Lei de Conservação da Energia, pode-se escrever : <Pi = <P r + <Pa+ <Pt Dividindo-se os dois membros da equação anterior pelo fluxo incidente (( )i), tem-se então : Em tal equação, as frações do segundo membro representam propriedades espectrais que são denominadas respectivamente de reflectância (p), absortância (a) e transmitância (x) do objeto; sendo assim, a equação assume a seguinte forma : p + a + T = 1 Dentre aquelas propriedades espectrais, a mais relevante é a reflectância na medida em que este coeficiente assume uma maior importância sobre o ponto de vista do sensoriamento remoto Fontes de radiação eletromagnética A energia refletida ou emitida pelos alvos naturais pode-se originar de fontes naturais como, o sol, a Terra, a radiatividade, etc., ou fontes artificiais como o radar e o laser. Dentre tais fontes, o sol é a fonte de REM mais importante utilizada na área de sensoriamento remoto. Uma fonte de REM é caracterizada por um espectro de emissão que pode ser contínuo ou distribuído em faixas discretas. O sol, por exemplo, emite radiação distribuída continuamente numa faixa que vai da região dos raios-x até a região das microondas. Por outro lado, os radares e os lasers emitem radiação concentrada em estreitas faixas do espectro.

23 22 Todo corpo com temperatura superior a zero grau absoluto ou zero Kelvin (0 K= - 273,16 C) emite REM, sendo a quantidade de radiação emitida (exitância) proporcional a temperatura que o mesmo apresenta, sendo por isso denominada térmica. Como cada corpo possui características próprias de emissão térmica, o espectro da radiação emitida pelo mesmo será então particularizado. Devido os diferentes materiais presentes na natureza não serem corpos negros ideais, parte da radiação incidente não é absorvida, sendo refletida ou mesmo transmitida. Desta forma, é necessário a definição de emissividade, que corresponde a razão de exitância de um corpo real pela exitância de um corpo negro, à mesma temperatura. Em outras palavras, a emissividade de um corpo caracteriza quanto este corpo se aproxima ou se afasta do padrão teórico de um corpo negro, sendo sempre menor que um Efeitos atmosféricos A atmosfera promove degradação na qualidade dos dados de sensores remotos, que variam em função dos diferentes intervalos espectrais correspondentes às bandas dos sensores em operação. Dentre os parâmetros atmosféricos mais relevantes que interferem nas medições de reflectância, estão a umidade atmosférica, a presença de aerossóis e a turbulência. O sinal registrado por detetores a bordo de aeronaves e satélites, geralmente corresponde ao fluxo de energia solar que interage com a atmosfera até atingir alvos terrestres e retorna ao sensor, interagindo novamente com a atmosfera. Isto proporciona que sejam adicionados ou subtraídos valores de brilho ao sensor, determinando que o sinal medido não coincida com a radiância do objeto visado. No processo de atenuação promovido pelos elementos constituintes da atmosfera que ocorrem ao longo da trajetória que a REM percorre entre a fonte, o alvo e o sensor, são sentidos dois efeitos principais denominados de absorção e espalhamento. Os processos de absorção e espalhamento atuam subtraindo e adicionando, respectivamente, valores de brilho ao sinal coletado por sensores remotos a partir de alvos da superfície terrestre. A absorção é um fenômeno de natureza quântica que depende da constituição da atmosfera. Assim, a REM ao se propagar pela atmosfera é absorvida pelo seus vários constituintes e dentre estes, o ozônio é o principal atenuador na região do visível, embora em muitos casos práticos, esta absorção pode ser desprezada por ser muito pequena. Existem ao longo de todo o espectro eletromagnético regiões onde a absorção atmosférica é relativamente pequena, sendo denominadas de janelas atmosféricas por causa de sua boa transmitâcia à REM. Portanto, essas são as regiões onde praticamente todas as atividades em sensoriamento remoto podem ser realizadas com maior facilidade. O caráter aditivo do espalhamento atmosférico é o principal processo de introdução de distorções radiométricas em dados de sensoriamento remoto, sendo a sua magnitude inversamente proporcional ao comprimento de onda. Neste processo, a energia a energia solar incidente no topo da atmosfera que originalmente se propaga em uma direção bem definida, gerará um campo de luz difusa, que se propagará em todas as direções. Isto acarretará que a energia coletada por um sensor remoto não relacione-se apenas ao alvo de interesse, uma vez que a energia espalhada pela atmosfera e por outros alvos poderá atingir o sensor, mascarando parcial ou totalmente a informação desejada.

24 Geometria de aquisição Os fatores geométricos que variam e interferem na iluminação de uma cena compreendem o ângulo zenital do sol, o ângulo de visada do sensor e os ângulos azimutais do sol e do sensor (Figura 2.10). O aumento do ângulo zenital do sol proporciona uma diminuição da irradiação na superfície de um alvo e consequentemente diminuição na percentagem de energia refletida pelo mesmo, além de contribuir também para o incremento da incidência de radiação difusa naquela superfície. Por outro lado, o aumento do ângulo de visada do sensor implicará na redução do contraste entre os alvos que compõe uma cena. Fig Variáveis geométricas de aquisição de dados que afetam as medidas de reflectância. Os ângulos azimutais do sol e do sensor alteram a distribuição de energia da superfície de alguns alvos, principalmente para o caso de culturas plantadas em linhas. Assim, em dosséis agrícolas a máxima resposta para a reflectância ocorre quando o ângulo de azimute solar for igual ao ângulo de azimute das fileiras de plantio, pois será visto um maior número dos componentes do dossel, inclusive o solo. O relevo representa um importante fator influenciador da variação do sinal detectado por um sensor remotamente situado, quando a cena é submetida à variação da radiação incidente. Um alvo localizado em região montanhosa é submetido a diferentes intensidades de radiação em função da sua exposição em relação à fonte, desta forma a parcela voltada para a fonte certamente terá um maior valor de radiância, pois tal coeficiente é função da irradiância. Adicionalmente, a variação topográfica também interfere no ângulo de visada do sensor, na medida em que se para uma superfície plana a visada de um sensor acima dele é nadir, no caso de uma superfície inclinada esta visada será oblíqua Superfícies dos alvos

25 24 Um dos processos de maior relevância na interação da REM com a superfície dos alvos é o da reflexão, pois a maior parte das informações é obtida através da análise da energia refletida pelos alvos. Considerando-se a reflexão como um fenômeno essencialmente de superfície, podem ser destacados dois casos com relação à distribuição da energia refletida: a reflexão especular, causada por superfícies lisas; e a reflexão difusa, causada pelas superfícies rugosas (Figura 2.11). a) Reflexão Especular - Neste caso a radiação é refletida segundo o mesmo ângulo de incidência; as radiações incidente e refletida, além da normal à superfície no ponto de incidência, encontram-se todas no mesmo plano. b) Reflexão Difusa - Neste tipo de reflexão, a superfície reflete radiação em todas as direções, gerando um campo de luz difusa. Fig Comportamento da reflexão especular (a) e difusa (b) em uma superfície. Fonte: Steffen et al., Em alguns casos, pode-se ter uma mistura de reflexão especular e difusa, mas para todos os efeitos, costuma-se considerar como reflexão difusa quando uma porção considerável, da ordem de 25% ou mais da radiação é refletida difusamente. Em nível de paisagem, as diferenças nas taxas de cobertura do solo promovem respostas espectrais distintas que podem ser detectadas por sensores remotamente situados. Assim, o perfeito entendimento dos processos que afetam o comportamento espectral da vegetação e dos solos, mostra-se imprescindível, na medida em que facilita a extração de informações confiáveis a partir de produtos de sensoriamento remoto.

26 25 3 COMPORTAMENTO ESPECTRAL DA VEGETAÇÃO Considerando a paisagem como uma formação antropo-natural, os alvos mais marcantes correspondem à vegetação e ao solo, os quais alternam-se em graus de importância no ambiente. A cobertura vegetal dentro desse contexto é representada pelas formações antrópicas, as quais envolvem os alvos cultura agrícola, pastagem e vegetação secundária e pelas formações naturais que compreendem vários tipos fitofisionômicos distintos. Os solos, particularmente importantes nas suas feições superficiais, são considerados em relação à influência de seus atributos intrínsecos e no nível do ambiente, na medida em que é um dos fatores condicionantes da vegetação. Outros alvos importantes observados em nível de paisagem correspondem a corpos d'água e rochas. Na Figura 3.1 pode ser obserbada a grande variabilidade apresentada pelas curvas relativas ao comportamento espectral de alguns dos alvos presentes na superfície terrestre. A obtenção de dados de sensoriamento remoto é afetada por fatores de diversas naturezas que interferem na coleta de medidas, tais como: parâmetros geométricos, atmosféricos e relativo aos alvos. Neste capítulo serão tratados de forma sucinta a seguir os parâmetros relativos aos alvos vegetação, solo, água e rochas. Fig. 3.1 Comportamento espectral de alguns alvos da superfície terrestre. 3.1 COMPORTAMENTO ESPECTRAL DA VEGETAÇÃO Estudos da cobertura vegetal envolvendo as técnicas de sensoriamento remoto abrangem quatro diferentes níveis de coleta de dados: laboratório, campo, aeronave e orbital. Em laboratório comumente são consideradas as folhas, partes de plantas ou até alguns arranjos de plantas, dos quais são coletados dados radiométricos com o objetivo de caracterizar espectralmente fenômenos e/ou aspectos relacionados ao processo de interação entre a REM e a vegetação. Em campo, os dados podem ser coletados diretamente das folhas ou através de dispositivos como plataformas (móveis ou fixas), teleféricos, etc; que permitem a colocação dos sensores imediatamente acima dos dosséis vegetais segundo as mais diferentes disposições. Na coleta de dados em aeronave, estão incluídas as máquinas fotográficas, os radiômetros e os sensores eletro-ópticos, assim como no nível orbital.