IMAGENS E ESPECTROS. As imagens são representações espacializadas dos mecanismos de interação da energia radiante com a superfície;

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1 IMAGENS E ESPECTROS As imagens são representações picturais do comportamento espectral dos alvos As imagens são representações espacializadas dos mecanismos de interação da energia radiante com a superfície; 836 nm 1651 nm 2201 nm 1

2 Composição colorida 836 nm 1651 nm 2201 nm NÍVEIS DE AQUISIÇÃO DE DADOS A caracterização espectral dos materiais é dependente do nível de aquisição de dados (laboratório, aeronave, orbital); 2

3 FATORES QUE AFETAM A AQUISIÇÃO DE DADOS (1) Fatores de Origem Externa: Geometria Sol-Alvo-Sensor (Efeitos bidirecionais); Efeitos Atmosféricos. Não há limite claro (2) Fatores dependentes do Alvo: Tipo e composição do alvo; Componentes secundários da superfície (e.g., litter); Orientação da superfície e sombreamento; Efeitos do substrato; A resposta espectral refletida dos materiais muda de acordo com a geometria de iluminação/visada em função da condição não-lambertiana dos alvos; 3

4 Ângulo de Iluminação Fonte: Green (2003) Dados Hiperespectrais (HYMAP) na Amazônia SZA = 53 o Fonte: Galvão et al. (2004) SZA = 29 o 4

5 Geometria de Visada Efeitos bidirecionais e a influência atmosférica associada são dependentes do comprimento de onda e da geometria de iluminação e de visada. Efeitos bidirecionais são também dependentes do tipo de alvo; 5

6 MISR/Terra Fonte: Nasa/JPL Sun Flight direction Df (-70.5 o ) Cf Bf (-60.0 o ) (-45.6 o ) Af An (-26.1 o ) (0 o ) Aa Ba (+26.1 o ) (+45.6) Ca (+60.0 o ) Da (+70.5 o ) Forest As Forest Db Forest Ab (a) N 0 50km (b) Purus River Madeira River (c) (d) Fonte: Xavier e Galvão (2003) 6

7 CAMERA and VIEW ANGLE (Degrees) Df (-70.5) CAMERA and VIEW ANGLE (Degrees) Df (-70.5). Bf (-45.6) Bf (-45.6). BRF An (Nadir) Ba (+45.6) Da (+70.5).. BRF An (Nadir) Ba (+45.6) Da (+70.5) FOREST Db Wavelength (nm) (a). FOREST As Wavelength (nm) (b). Fonte: Xavier e Galvão (2003) Fonte: Xavier e Galvão (2003) 7

8 Razões de reflectância entre bandas podem reduzir (não eliminar) as mudanças espectrais produzidas por variações na orientação da superfície; Fonte: Xavier e Galvão (2003) 8

9 O PAPEL DA ATMOSFERA A atmosfera afeta a aquisição de dados de sensoriamento remoto através de dois mecanismos: espalhamento e absorção; Fonte: Green (2003) 9

10 Fonte: Green (2003) (1) Espalhamento A radiação é redirecionada pelas partículas na atmosfera (moléculas de gases). o espalhamento tem uma contribuição aditiva na imagem; De acordo com a relação entre o comprimento de onda e o tamanho das partículas, o espalhamento pode ser classificado em: a) Rayleigh : o comprimento da radiação é muito maior que o tamanho das partículas que produzem o espalhamento. O efeito é inversamente proporcional a quarta potência do comprimento de onda. É o efeito dominante em sensoriamento remoto (céu azul); 10

11 Fonte: Green (2003) b) Mie : o comprimento da radiação é comparável ao tamanho das partículas que produzem o espalhamento (p. ex., fumaça e pó). Este efeito tende a influenciar maiores comprimentos de onda, quando comparado com o do espalhamento Rayleigh; c) Não-seletivo : O comprimento de onda da radiação é muito menor que o tamanho das partículas responsáveis pelo espalhamento (p.ex., gotas de água). O efeito é nãoseletivo com relação ao comprimento de onda. 11

12 (2) Absorção Contrário ao espalhamento, a absorção pelos constituintes da atmosfera (p.ex., vapor d água, oxigênio, dióxido de carbono) em um dado comprimento de onda tem um efeito espectral subtrativo; Reflectância de superfície Reflectância aparente Janelas atmosféricas 12

13 Fonte: Green (2003) Fonte: Green (2003) 13

14 Fonte: Green (2003) No sensoriamento remoto, efeitos atmosféricos e bidirecionais ocorrem fortemente associados e não são facilmente separáveis; Brazilian Amazon Region HYMAP data (126 bands) 14

15 Blue (465 nm) Red (665 nm) Red (665 nm) View Angle (degrees) ρa (%) Band Depth NDVI < Scattering Absorption N View Angle (Degrees) NDVI < 0.75 Large shade components Large sunlit components 15

16 665 nm (R) 556 nm (G) 480 nm (B) 860 nm (R) 1650 nm (G) 2300 nm (B) AVIRIS Data - Cuiabá Brazil) A correção atmosférica pode ser implementada através do uso de procedimentos empíricos (p.ex., dark subtraction method) ou de métodos físicos baseados em modelos de transferência radiativa (p.ex., código 6S ou ATREM); Em geral, abordagens empíricas apenas minimizam os efeitos de espalhamento atmosférico; Histogram Minimum 16

17 CORREÇÃO ATMOSFÉRICA DE DADOS HIPERESPECTRAIS Para dados hiperespectrais, algoritmos baseados em modelos de transferência radiativa são usados para minimizar os efeitos de espalhamento e absorção atmosférica; O cálculo para recuperar a reflectância de superfície é obtido a partir do uso da própria imagem, especialmente das bandas de vapor d água posicionadas em 940 nm e 1140 nm. 17

18 Fonte: Roberts (2005) ATREM (Gao et al., 1993) 18

19 Fonte: Green (2003) Fonte: Green (2003) 19

20 Fonte: Green (2003) Fonte: Green (2003) 20

21 Fonte: Green (2003) ESPECTROSCOPIA DE REFLECTÂNCIA Espectroscopia é o estudo da interação complexa da matéria com a radiação eletromagnética. 21

22 Características dos Espectrômetros : De acordo com Clark et al. (1999), os parâmetros mais importantes que descrevem as características de um espectrômetro são : intervalo espectral, largura espectral, amostragem espectral and sinal-ruído; Intervalo espectral : Dependendo do intervalo espectral usado na aquisição de dados, bandas de absorção que podem identificar materiais podem não ser caracterizadas; Largura de Bandas : É a largura de uma banda (canal) no espectrômetro. Quanto mais estreita for a largura, melhor será a caracterização das feições de absorção, especialmente para bandas contínuas ; FWHM (Full Width at Half Maximum) 22

23 Amostragem espectral : É a distância entre as bandas no espectrômetro; Sinal-ruído (S/N): É um parâmetro importante porque indica a capacidade do instrumento em detectar bandas de absorção. Depende da sensibilidade dos detetores, da largura de bandas, e da intensidade da energia oriunda de da superfície em que a medida é feita. Fonte : Green (2003) 23

24 Fonte: Green (2003) A reflectância de um alvo (R t ) pode ser obtida pela divisão de sua radiância (L t ) pela irradiância (E), isto é, R t = L t /E ; Na prática, a abordagem mais freqüentemente utilizada é a obtenção do Fator de Reflectância Bidirecional (FRB): FRB = (L t /Lref). k onde, L t = radiância do alvo; L ref = radiância de um padrão de referência (painel); k = FRB do padrão de referência. Painéis para cômputo de FRB incluem BaSO 4, MgO, e halon (polytetrafluoroethylene). Spectralon é um bom exemplo de um padrão de referência duro, resistente, quimicamente inerte, e lavável. Os painéis não são perfeitamente Lambertianos; 24

25 AQUISIÇÃO DE DADOS EM CAMPO E LABORATÓRIO Espectrômetros versus Radiômetros de Bandas; Aquisição de dados em métodos simultâneo versus seqüencial : Nas medidas simultâneas, as radiâncias do alvo e do painel são medidas ao mesmo tempo, o que requer o uso de dois radiômetros precisamente inter-calibrados. Erros produzidos pelas variações de irradiância devidas a atmosfera são reduzidos a custa de outros possíveis erros introduzidos pela inter-calibração; Nas medidas seqüenciais, as radiâncias do painel e do alvo são seqüencialmente medidas em um curto período de tempo para minimizar erros produzidos pelas variações de irradiância causadas pela atmosfera; De acordo com Milton (1987), algumas sugestões práticas para adquirir dados de reflectância em campo são: (a) usar um mastro ou tripé para garantir uma geometria fixa entre o sensor, o painel de referência e o alvo; (b) posicionar o sensor a pelo menos 1 metro acima da superfície do alvo; (c) orientar a cabeça do sensor diretamente na direção do Sol; (d) conferir se o painel preenche o FOV do sensor, e se ele não está sombreado pelo instrumento; (e) tomar notas sobre a superfície do alvo e sobre as conduções de medidas (local da medida, hora, geometria de visada, altura do sensor; (f) usar roupa escura e manter-se a uma certa distância do alvo durante a medida. erros devidos a proximidade de objetos (p.ex., posição do corpo) tendem a aumentar com o aumento do ângulo zenital solar. 25

26 Outras importantes sugestões : (a) coletar dados em dias claros. Em dias nublados, é importante replicar as medidas para minimizar os efeitos das flutuações de irradiância; (b) obter medidas ao nadir durante um intervalo de ± 2 horas do meiodia (pequenos valores de ângulo zenital solar) para reduzir variações na trajetória óptica da atmosfera, efeitos da geometria de iluminação, e erros devidos a condição não-lambertiana dos painéis, e devidos aos efeitos de vizinhança dos objetos. No laboratório, alguns pontos importantes são: (a) fixar a geometria de aquisição de dados (distância da superfície da amostra ao sensor); (b) mapear o GIFOV; (c) reduzir os efeitos de vizinhança; (d) estabelecer o número de medidas para amostras heterogêneas e homogêneas. 26