Fusão de imagens dos sensores HRC e CCD para a elaboração de uma carta imagem do município de Ladário, MS

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1 Embrapa Informática Agropecuária/INPE, p Fusão de imagens dos sensores HRC e CCD para a elaboração de uma carta imagem do município de Ladário, MS Marcelo Pedroso Curtarelli 1 Allan Saddi Arnesen 1 1 Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais - INPE Av. dos Astronautas, Caixa Postal São José dos Campos, SP, Brasil {mpedroso, allansa}@dsr.inpe.br Resumo. O presente trabalho teve como objetivo elaborar uma Carta imagem em escala 1: do município de Ladário no estado Mato Grosso do Sul utilizando dados dos sensores HRC e CCD do satélite CBERS-2B, com resoluções espaciais de 2,7 m e 20 m respectivamente. Foi utilizada a técnica de fusão de imagem, através do método da transformação IHS, para mesclar os dados dos dois sensores e gerar uma imagem com mais informações e mais interpretável do que as imagens separadamente. O resultado mostrou uma boa qualidade da imagem CBERS 2B fusionada, indicando seu grande potencial para a geração de cartas imagens e também para utilização em outras aplicações. Palavras-chave: Fusão de imagens, HRC, CCD, carta imagem. 858

2 Embrapa Informática Agropecuária/INPE, p Abstract. This study aimed to elaborate an Image map with scale 1:30,000 of Ladário city in Mato Grosso do Sul using data from the sensors HRC and CCD of CBERS-2B satellite, with spatial resolutions of 2,7 m and 20 m respectively. The technique of image fusion was used through the IHS transformation method to merge data from two sensors and generate an image with more information and more interpretable than the images separately. The result showed a good quality image CBERS 2B fused, indicating its great potential to generate image map and also for use in other applications. Key-words: Image fusion, HRC, CCD, image map. 1. Introdução Uma carta imagem é um produto do sensoriamento remoto na qual uma imagem orbital, ou sub-orbital, é processada para que sejam extraídas informações do local estudado. Atualmente as cartas imagem oferecem informações valiosas a diversas aplicações, tais como na agricultura, gestão e planejamento do turismo, planejamento da rede de tráfego urbano, gestão industrial, educação, entre outras (Alsultan et al., 2008). Dentre estas aplicações, destaca-se, por exemplo, o Projeto Educa SeRe III no qual foram elaboradas cartas imagem para o ensino do sensoriamento remoto aos níveis fundamental, médio e de graduação, demonstrando diversas aplicações desta ciência na área dos recursos naturais (Sausen et al., 2001). Outra proposta didática com cartas imagem foi trabalhada por Ferreira et al. (2006) com alunos do ensino fundamental no município de São Paulo. Nesta ocasião os estudantes aprenderam conceitos cartográficos e de interpretação visual de imagens para mapear diferentes partes do Brasil, utilizando imagens sintéticas do satélite Landsat, sensor TM. As cartas imagem também se apresentam como excelentes ferramentas para o planejamento urbano. Segundo Erbek et al. (2005), devido à dinâmica de modificação do uso do solo, mapas antigos tornam-se desatualizados rapidamente, sendo as cartas imagem uma solução para os gestores públicos. No entanto, em áreas urbanas as imagens orbitais têm que apresentar altas resoluções espaciais, para que a escala utilizada permita a detecção detalhada de feições na superfície terrestre. Frente aos elevados custos de aquisição de imagens de alta resolução, existem técnicas de processamento digital de imagens que permitem a construção de cartas imagem em escala adequada para o planejamento urbano, a partir de dados disponíveis gratuitamente. Segundo Schott (2007), a técnica de fusão de imagens é um processo que mescla dados de diferentes fontes para melhorar o conhecimento sobre a cena. Quando se realiza a fusão de duas ou mais imagens de diferentes sensores, com diferentes resoluções espaciais, a nova imagem obtida contém mais informações e é mais interpretável do que as imagens separadamente antes da fusão. Diversos métodos para a fusão de imagens são citados na literatura tais como a transformação IHS, a transformação por Componentes Principais e a transformação Wavelet (Schowengerdt, 1980; Chowengerdt, 1980; Chavez et al., 1991; Schott, 2007). O satélite CBERS-2B, que recentemente deixou de operar, possuía três sensores em sua carga útil, WFI, CCD e HRC, e coletou dados que são utilizados em diversas aplicações. A câmera HRC apresentava apenas uma banda pancromática, cobrindo a faixa do visível e uma parte do infravermelho próximo. Possuía uma resolução espacial de 2,7 m e a faixa de imageada tem 27 km, sendo necessários 130 dias para uma cobertura completa do país. Já o sensor CCD possuía 5 bandas (B,G,R,IVP) e uma resolução espacial de 20 m cobrindo uma faixa imageada de 113 km, sendo necessários 26 dias para uma cobertura completa do país (INPE, 2010). As imagens dos dois sensores são 859

3 Embrapa Informática Agropecuária/INPE, p disponibilizadas gratuitamente através de solicitação no catálogo de imagens do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais - INPE. 2. Objetivo O objetivo deste trabalho é elaborar uma carta imagem, em escala 1:30.000, do município de Ladário/MS por meio da técnica de fusão de imagens, no intuito de identificar feições como estradas, área urbana, vias principais e a área sujeita inundação no município. 3. Materiais e Métodos O município de Ladário está localizado no estado do Mato Grosso do Sul, na microrregião do Baixo Pantanal, entre as coordenadas geográficas S e O. Está distante 417 km da capital, Campo Grande, possui uma área aproximadamente 342 km² e cerca de habitantes (IBGE, 2001; IBGE, 2009). A Figura 1 a seguir mostra a localização da área de estudo. Figura 1. Localização do município de Ladário. Os dados utilizados no trabalho foram as imagens HRC e CCD do satélite CBERS- 2B e o Mapa Municipal Estatístico de Ladário/MS. Para o processamento dos dados foi utilizado o Sistema de Processamento de Informações Georreferenciadas SPRING, desenvolvido pelo INPE, disponível gratuitamente ao público através do sítio eletrônico Para a elaboração do Layout final da Carta-imagem foi utilizado um aplicativo gráfico. A Tabela 1 a seguir mostra os materiais utilizados no trabalho. Tabela 1. Materiais utilizados no trabalho. Mapa Municipal Estatístico Nome Escala Formato Ladário 1: pdf Aplicativos Aplicativo Versão Spring Aplicativo gráfico Imagens orbitais Sensor Cena Data HRC 166/A 121/4 12/04/ /A 121/5 12/04/2009 CCD /05/

4 Embrapa Informática Agropecuária/INPE, p Primeiramente os dados foram adquiridos gratuitamente através do catálogo de imagens do INPE ( e do sítio eletrônico do Instituto Brasileiro de Geografia e Estatísticas - IBGE (ftp://geoftp.ibge.gov.br). A elaboração da Carta-imagem requer o georreferenciamento e, principalmente, o registro rigoroso das imagens para a obtenção de bons resultados no processo de fusão (Silva, 2009). O georreferenciamento da carta topográfica de Ladário foi realizado utilizando a opção de registro via teclado do menu arquivo, sendo utilizado como referência o sistema de coordenadas UTM e o Datum SAD 1969 zona 21S. Utilizando a intersecção das grades de coordenadas foram adquiridos 16 pontos de controle com as coordenadas conhecidas, o resíduo total foi de 0,482. A carta topográfica georreferenciada serviu de base para realizar o registro das duas imagens HRC e da imagem CCD. Para registrar as três imagens (HRC 121/4, HRC121/5 e CCD) foi utilizada a opção de registro via tela e foram adquiridos 10 pontos de controle sobre a carta topográfica, obtendo um resíduo de 0,453, 0,389, 0,491 respectivamente. Depois de registradas, as imagens foram importadas para o projeto. Uma das questões mais importantes ao se realizar o mosaico entre imagens coletadas em horários diferentes é que o brilho (média) e o contraste (variância) dos níveis de cinza das imagens sejam iguais, de forma que não seja percebida a junção entre elas. Desta maneira, primeiramente foi realizada uma operação aritimética na imagem HRC 166/A- 121/5 para que seu brilho e contraste ficassem iguais ao da imagem HRC 166/A-121/4. Em seguida foi criado um novo plano de informação e as duas imagens foram copiadas para ele através da opção mosaico no menu imagem. Para realizar a fusão de imagens é necessário que o tamanho do pixel de todas as imagens envolvidas no processo seja o mesmo. Sendo assim, a imagem CCD teve que ser processada para reduzir o tamanho do seu pixel de 20 m para 2,7 m. Segundo Fonseca (1993), através da combinação de técnicas de restauração e interpolação é possível gerar imagens com uma melhor resolução e com um menor tamanho de pixel. No presente trabalho as imagens das bandas 2, 3 e 4 do sensor CCD com resolução de 20 m foram restauradas e interpoladas para uma grade com pixels de 10 m. Em seguida, foi realizada uma reamostragem das bandas restauradas para uma grade com pixels de 2,7 m, sendo o método de interpolação utilizado o do vizinho mais próximo. Após deixar as imagens CCD compatíveis com a imagem HRC foi realizada a fusão das imagens por meio do método da Transformação IHS, através da opção Transformação IHS/RGB no menu imagem. Segundo Leonardi et al. (2009), neste método a imagem composta por três bandas espectrais é transformada do espaço RGB ao sistema IHS, correspondente à combinação de três componentes que descrevem a formação das cores de maneira similar àquela percebida pelo sistema visual humano: saturação (saturation S), intensidade (intensity I) e matiz (hue H). Assim, primeiramente foi feita uma transformação RGB-IHS utilizando as três bandas do sensor CCD. O princípio básico deste método é que a componente intensidade é muito similar à imagem pancromática de melhor resolução, uma vez que armazena informação comum entre todas as bandas (Centeno, 2004). Portanto, durante a transformação IHS- RGB a imagem intensidade foi substituída pela imagem pancromática HRC. O contraste das três bandas RGB geradas a partir desta transformação foi modificado para melhorar a qualidade visual da imagem e para as feições da superfície ficarem mais identificáveis. Após este procedimento foi realizada uma avaliação qualitativa (visual) e quantitativa (estatística) da imagem fusionada. Segundo Centeno (2004), a interpretação visual de uma imagem é facilitada quando os níveis de cinza variam por toda a faixa de valores possíveis e, em casos de imagens 861

5 Embrapa Informática Agropecuária/INPE, p escuras, a variação do brilho é imprescindível para a identificação de alguns objetos da superfície. O brilho e o contraste das três bandas da imagem fusionada foram ajustados através da modificação de seus histogramas. Desta forma, foram alteradas a média e a variância das bandas da imagem para facilitar a interpretação das feições do Município. De acordo com Li (2000), apesar de existirem diversos métodos de fusão de imagens são poucos os métodos propostos na literatura para uma avaliação quantitativa da imagem fusionada, sendo que esta avaliação freqüentemente é feita de forma subjetiva através do sistema visual humano. No presente trabalho foi realizada a análise de qualidade visual para avaliar a presença de distorções, a preservação das bordas e do espectro da imagem de alta resolução em relação à imagem de baixa resolução. A confecção da carta imagem iniciou-se com a digitalização de feições, como vias municipais, rodovias e ferrovia, sobre a imagem fusionada. O Mapa Municipal Estatístico do IBGE de 2007 foi utilizado para a vetorização do limite municipal de Ladário e da área sujeita a inundação. As representações cartográficas seguiram a padronização cartográfica do IBGE e, para tanto, utilizou-se o aplicativo Scarta, versão , e um aplicativo gráfico para a elaboração do Layout final da Carta imagem em escala 1: em folha A0. A Figura 2 a seguir mostra o fluxograma da metodologia aplicada para o processamento dos dados e construção da carta-imagem de Ladário. Figura 2. Fluxograma de elaboração da Carta-imagem do Município de Ladário, MS. 862

6 Embrapa Informática Agropecuária/INPE, p Resultados e Discussão Durante o processo de fusão pelo método da Transformação IHS foi aplicada a técnica de restauração nas bandas da imagem CCD. Segundo Boggione (2003), a restauração amplifica as componentes em freqüências altas, gerando imagens com transições mais agudas entre os pixels. Isto pode ser observado na Figura 3, na qual as feições lineares, como ruas e estradas, tornaram-se mais nítidas. Figura 3. Imagens sintéticas, composição 3R, 4G, 2B formada por: a) bandas CCD originais; b) bandas CCD restauradas. É importante ressaltar que o registro entre as imagens HRC e CCD deve ser feito com o menor erro possível, de forma a não criar artefatos na imagem fusionada devido a deslocamentos entre as duas imagens originais. As Figuras 4 (a) e (b) ilustram a imagem HRC antes da fusão e a imagem fusionada, respectivamente. Pode-se perceber que a imagem fusionada apresenta uma grande quantidade de detalhes, aliando a resolução espacial da banda pancromática (HRC) com a resolução espectral das bandas espectrais (CCD), fornecendo uma imagem colorida que une estas duas características. Outro aspecto notável na Figura 4 é que a topografia do Município de Ladário ficou mais identificável, devido à intensificação das sombras, como é possível observar no morro localizado na parte esquerda da Figura 4(b). Figura 4. a) Imagem HRC antes da fusão; b) Imagem fusionada. A Carta imagem do município de Ladário, realizada por meio da técnica de fusão de 863

7 Anais 3º Simpósio de Geotecnologias no Pantanal, Cáceres, MT, de outubro 2010 Embrapa Informática Agropecuária/INPE, p imagens HRC e CCD /CBERS-2B, está apresentada na Figura 5. Apesar de ela ter sido elaborada em escala 1: em folha A0, a Figura 5 apresenta o Layout final desta Carta em menores dimensões. Figura 5. Carta imagem do Município de Ladário, MS. 5. Conclusões O resultado mostrou uma boa qualidade visual da imagem CBERS-2B fusionada, indicando seu grande potencial para a geração de cartas imagens e também para utilização em outras aplicações. A escala da carta imagem produzida permite, por exemplo, sua 864

8 Embrapa Informática Agropecuária/INPE, p utilização no planejamento urbano dos municípios brasileiros. Outro aspecto positivo deste trabalho é a utilização de imagens e aplicativos disponíveis gratuitamente pelo INPE, o que possibilita reaplicabilidade desta técnica por diversas entidades (públicas e privadas) em diferentes atividades com custos reduzidos. No entanto uma das limitações da utilização das imagens HRC é a baixa disponibilidade de datas, uma vez que este sensor operou em um tempo relativamente pequeno (2007 a 2010). Aliado a isto, a presença de nuvens e a falha de detectores em algumas cenas inviabilizam seu uso em aplicações de fusão de imagens. Apesar de o satélite CBERS-2B ter encerrado sua operação, novos satélites da série CBERS serão lançados nos próximos anos, fornecendo novas imagens à comunidade brasileira para diversas aplicações em sensoriamento remoto. 6. Referências AlSultan, S.; Lim, H. S.; MatJafri, M. Z.; Abdullah, K. Saleh, N. M. Innovative satellite image map of R.Alkhabrta area, Saudi Arabia using high resolution image. The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences. v. 37, pt. B7, 2008, p Boggione, G. A. Restauração de imagens do satélite Landsat p. (INPE TDI/929). Dissertação (Mestrado em Sensoriamento Remoto) - Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, São José dos Campos Disponível em: < Acesso em: 30 jun Centeno, J. A. S. Sensoriamento remoto e processamento de imagens digitais. Curitiba: UFPR, 2003, p Chavez, P.S.; Sides, S.C.; Anderson, J.A. Comparison of three different methods to merge multiresolution and multispectral data: Landsat TM and SPOT panchromatic. Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, v. 57, n. 3, 1991, p Erbek, F. S.; Ulubay, A.; Maktav, D. Yagiz, E. The use of satellite image maps for urban planning in Turkey. International Journal of Remote Sensing, v. 26, n. 4, 2005, p Ferreira, R. V.; Assunção, L. M.; Martines, M. R. Construção de cartas imagem: uma proposta didática. Geografia, v. 15, n. 1, 2006, p Fonseca, L. M. G; Prasad G. S. S. D; Mascarenhas, N. D. A. Combined interpolation-restoration of Landsat images through FIR filter design techniques. International Journal of Remote Sensing, v.14, n. 13, p , Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística IBGE. Mapeamento das unidades territoriais: malha municipal digital Disponível em: : < ibge.gov.br/home/ geociencias/cartografia /territ_ doc1. shtm >. Acesso em: 15 jun Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística - IBGE. Estimativa populacional Disponível em: < Acesso em: 11 jun Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais INPE. CBERS: Satélite Sino-Brasileiro de Recursos Terrestre. 5 jun Disponível em < Acesso em: 5 jun Li, J. Spatial quality evaluation of fusion of diferent resolution images. The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences. v. 33, pt. B2, p , Sausen, T. M.; Rudorff, B. T.; Ávila, J.; Simi Filho, R.; Almeida, W. R. C.; Rosa, V. G. C.; Godoi Filho, J. Projeto Educa SeRe III - A carta imagem de São José dos Campos. In: Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto, 10., 2001, Foz do Iguaçu. Anais... São José dos campos: INPE, p Disponível em:< Acesso em: 11 jun Schott, J. R. Remote sensing: the image chain approach. 2.ed. New York: Oxford University, 2007,

9 Embrapa Informática Agropecuária/INPE, p p. Schowengerdt, R.A. Reconstruction of multispatial, multispectral image data using spatial frequency content. Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, v. 46, n. 10, p , SILVA, F. C. Implementação e avaliação de métodos de fusão para geração de imagens coloridas de alta resolução p. (INPE TDI/1476). Dissertação (Mestrado em Computação Aplicada) - Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, São José dos Campos Disponível em: < sid.inpe.br/mtc-m18@80/2009/ >. Acesso em: 02 jul