Pós-Graduação a distância

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1 Pós-Graduação a distância Gestão Ambiental Geoprocessamento Sensoriamento Remoto II Prof.º: Franklin Gundim Silva

2 Sumário INTRODUÇÃO... 4 HISTÓRICO PROFISSIONAL E EMENTA DO CURSO (OBJETIVOS, METODOLOGIA UTILIZADA... 4 CAPITULO SENSORIAMENTO REMOTO Conceito de...5 Sensoriamento Remoto Conceitos e diferenças entre arquivos raster e vetor Histórico do Sensoriamento Remoto Conceito de sistemas sensores e suas diferenças Fotogrametria CAPITULO O ESPECTRO ELETROMAGNÉTICO E O PROCESSAMENTO DIGITAL DE IMAGENS (PDI) Processo de aquisição de Imagens Resoluções no sensoriamento remoto Classificação de imagens CAPITULO INTERPRETAÇÃO DE IMAGENS Interpretação de imagens Aplicação do processo de interpretação de imagens Parâmetros utilizados para interpretação segundo as classes propostas CAPITULO GEOTECNOLOGIAS MEIO AMBIENTE E SEU USO O uso de geotecnologias como ferramenta para o Geoplanejamento ambiental Utilização de Ferramentas de tratamento de dados geográficos para geração de geoinformação CÂMERA CCD Resolução espacial (Nadir) m Largura da faixa (Nadir) a 170 Km (32º) Bandas espectrais µm (pan) µm µm µm... 31

3 µm Campo de visada Apontamento do espelho... +/ Resolução temporal dias ou 3 com visada lat CAPITULO DIFUSÃO DO SENSORIAMENTO REMOTO PRINCIPAIS PROGRAMAS E SEUS USOS Google Earth: conceito e principais aplicações Utilizando o spring APLICAÇÃO DO SENSORIAMENTO REMOTO PARA GESTORES AMBIENTAIS BIBLIOGRAFIA SITES UTILIZADOS:... 45

4 INTRODUÇÃO HISTÓRICO PROFISSIONAL E EMENTA DO CURSO (OBJETIVOS, METODOLOGIA UTILIZADA Nesse sentido, essa apostila vem abordar os principais conceitos do sensoriamento remoto, dando base para aprofundar o conhecimento no seu funcionamento e aplicação, assim como trata de temas correlatos e essenciais para a manipulação de imagens orbitais e sub-orbitais com objetivo de realizar análises ambientais. vídeo da orbisat O uso da cartografia com intuito de se estudar o espaço geográfico data-se de períodos muito remotos, quando os chineses (precursores na criação dos primeiros mapas) usavam o papiro para representar os locais que viviam. Atualmente, com o avanço tecnológico e com o crescimento e difusão da cartografia digital, a aplicação de metodologias para interpretação e análise de recortes territoriais mais diversos (sejam eles sociais, ambientais, demográficos, dentre outros) ficou mais facilitada e dando suporte na tomada de decisões. Nesse sentido, o sensoriamento remoto se constitui como um instrumento de gestão, planejamento, monitoramento, ordenamento da terra (dentro outras aplicações) e, no caso especifico da área ambiental, subsidia a aplicação da legislação ambiental e proteção da natureza (Mascarenhas, et al. 2009). A popularização da ferramenta sensoriamento remoto tornou sua aplicação mais acessível e fácil de ser usada por qualquer usuário que tenha conhecimento básico de informática (o exemplo mais contundente é da ferramenta google earth). Isso tem facilitado à ampliação e até o mesmo o maior interesse pela seu uso para os mais diversos fins (seja para simples localização ou aquisição das imagens para se delimitar áreas de interesse ambiental. 4

5 CAPITULO 1 SENSORIAMENTO REMOTO Conceito de Sensoriamento Remoto eletromagnética emitida ou refletida pelos objetos terrestres e registradas por sensores remotos (Figura 2). A energia eletromagnética utilizada na obtenção dos dados por sensoriamento remoto é também denominada de radiação eletromagnética. Segundo Slater (1980), o sensoriamento remoto é o conjunto de atividades faz a aquisição de informação relativa aos recursos naturais do espaço geográfico ou seu meio ambiente, por meio de sensores instalados a bordo de balões, foguetes, aviões e satélites. Estes equipamentos coletam a radiação eletromagnética emitida ou refletida por um alvo, convertendo-a em um sinal que é posteriormente processado em terra, com fins de geração de imagens (Slater, 1980). Nesse sentido, O sensoriamento remoto é a ciência que estuda dá suporte a obtenção, tratamento, correção e interpretação de uma imagem de satélite, radar, dentre outros (Figura 1). Figura 1 Imagem de uma área urbana / costeira - FUNCIONAMENTO SR Moraes (2002) afirma que o Sensoriamento Remoto pode ser entendido como um conjunto de atividades que permite a obtenção de informações dos objetos que compõem a superfície terrestre sem a necessidade de contato direto com os mesmos. Estas atividades envolvem a detecção, aquisição e análise (interpretação e extração de informações) da energia Figura 2 - Esquema de conformação do sensoriamento remoto Fonte: Rudorff (2008) Dentro dessa perspectiva, cadê definir alguns termos utilizados nesse texto (DPI / INPE, 2010): Sensores: são equipamentos capazes de coletar energia proveniente do objeto, convertê-la em sinal passível de ser registrado e apresentá-lo em forma adequada à extração de informações. Energia: na grande maioria das vezes é a energia eletromagnética ou radiação eletromagnética. Conceito mais específico: Conjunto das atividades relacionadas à aquisição e a análise de dados de sensores remotos. Sensores remotos: sistemas fotográficos ou óptico-eletrônicos capazes de detectar e registrar, sob a forma de imagens ou não, o fluxo de energia radiante refletido ou emitido por objetos distantes. Imagens: Obtidas por satélites, fotografias aéreas ou scanners aerotransportados, as imagens representam formas de captura indireta de informação espacial. Armazenadas como matrizes, cada elemento de imagem (denominado pixel ) tem um valor proporcional à energia eletromagnética refletida ou emitida pela área da superfície terrestre correspondente. 5

6 OBSERVAÇÃO IMPORTANTE: Existem vários exemplos de Sensores Remotos, dentre os quais podemos citar as câmeras fotográficas, radares, máquinas de raios-x e o olho humano, dentre outros. Todos permitem registrar a Radiação Eletromagnética REM, que geram um campo magnético e um campo elétrico que se propagam perpendicularmente um em relação ao outro e na direção de propagação da energia, transportando assim energia sob a forma de radiação eletromagnética. aumento de pixels individuais, o que faz com que haja distorção na imagem. O terreno é representado por uma matriz M(i, j), composta por i colunas e j linhas, que definem células, denominadas como pixels (picture cell), ao se cruzarem. Curiosidade: Segundo Rudorff (2008), os nossos olhos podem ser comparados a sensores remotos. Através da propagação das ondas eletromagnéticas que incidem sobre os nossos olhos recebemos informações sobre objetos à distância. Os aparelhos que captam a energia transmitida por estas ondas são chamados de sistemas sensores (p. ex., câmaras fotográficas e de vídeo, sistemas imageadores a bordo de satélites, etc.). 1.2 Conceitos e diferenças entre arquivos raster e vetor No sensoriamento Remoto trabalhamos com arquivos raster e, estes geralmente, irão produzir arquivos vetoriais. Mas, o que são arquivos raster e vetoriais? Raster: São formatos de dados correspondentes a imagens (imagem de Satélites, foto, dentre outros), e são constituídos de pontos individuais chamados de pixels que são dispostos e coloridos de maneiras diferentes para formar um padrão (Figura 3). Ao aumentar o zoom será possível ver os quadrados individuais que formam a imagem total. O aumento do tamanho de um arquivo raster (esticar/ ampliar o desenho) tem o efeito de um Figura 3 Sobreposição de uma Imagem se satélite e representação das imagens com os pixels Vetores: Vetores são entidades definidas matematicamente como uma série de pontos unidos por linhas. Pode ser representado por pontos, linhas e polígonos (Figura 4) Cada vetor é uma entidade independente com propriedades como cor, forma, contorno, tamanho e posição na tela, incluídas na sua definição. É possível mover e alterar suas propriedades repetidas vezes e manter a sua nitidez e resolução originais, sem afetar os demais componentes do desenho. 6

7 Dentro desse contexto, logo a seguir serão elencados os principais fatos que contribuirão na ampliação do uso do sensoriamento remoto na historia: Século XVII - Observações de Galileo em seu telescópio, de outros corpos celestes; Século XVIII - Invenção da fotografia; Século XIX - Vôos de balão com intuito de fotografar a superfície terrestre (Figura 6). Técnica utilizada durante a Guerra de Secessão. Figura 4 Ilustração de elementos formadores de um vetor (pontos, linhas e polígonos) Redesenhar essa figura, melhorar resolução Figura 6 Representação do uso de fotografias aéreas num vôo de balão Figura 5 Exemplo de arquivos raster e arquivos vetoriais 1.3 Histórico do Sensoriamento Remoto Alguns fatos importantes precederam a difusão do sensoriamento remoto e, o mais importante deles foi o avanço dos estudos que esquadrinhavam a teoria da luz, da estereoscopia, do campo da óptica e de substancias fotossensíveis. Tais eventos possibilitaram a propagação de pesquisas sobre o uso de lentes em câmeras fotográficas com intuito de registrar num determinado momento o elemento de interesse Aquisição de fotografias através dos pombos-correio na Bavária (Figura 7), alternativa mais veloz aos balões, porém a trajetória era imprevisível. Primeiras fotografias e filmes feitos a partir de um aeroplano com W. Wright. 7

8 Figura 7 Utilização de pombos para o uso da fotografia aérea Substituição dos balões atrás das trincheiras inimigas pelo avião biplano, técnica amplamente utilizada na 1ª Guerra Mundial (Figura 8), tendo os alemães adquirido cerca de fotos diárias e os americanos mais de no final da guerra. Figura 9 Ilustração de foto aérea de um recurso natural (floresta) Segunda Guerra Mundial - estado da arte na foto-interpretação: mapeamentos (topográfico, geológico e de engenharia), inventários (florestais e agrícolas). Filmes infravermelhos - falsa cor (Figura 10). Figura 10 Filmes Infravermelhos Década de 60 - Uso das fotografias tiradas a partir de um avião americano U-2 para comprovação de instalação de mísseis em Cuba. Apollo 8 faz as primeiras imagens da Terra vista do espaço (Figura 11). Figura 8 Imagem de um campo de batalha na 1 Guerra Mundial Período entre as duas grandes guerras - desenvolvimento em aplicações comerciais e científicas (fotogrametria), produção de mapas topográficos (estéreofoto) e mapas de recursos naturais (Figura 9) Figura 11 Imagem da terra extraída de um sensor remoto 8

9 Década de 70 - Lançamento do Earth Resources Technology Satellite (ERTS-1) que ao longo do tempo foi melhorando a tecnologia dos sensores, sendo posteriormente renomeado para Landsat (Figura 12); Figura 13 Sensor remoto usado para observar o avanço da camada de ozônio Década de 90 - As imagens de satélite são usadas em larga escala durante a Guerra do Golfo e para o contingenciamento de catástrofes naturais (Figura 14). Uso de imagens de satélite de alta definição para fins militares; Figura12 Satélites da família landsat e suas especificações Sistema Interativo de Analise Multiespectral Década de 80 - Satélites climáticos identificam uma diminuição na camada de ozônio (Figura 13), sendo estas imagens de suma importância para o Protocolo de Montreal. Imagens do Landsat ajudam interpretar o espaço geográfico brasileiro; Figura 14 Imagens para fins militares e de catástrofes naturais. Séc. XXI - Imagens de alta resolução começam a ser disponibilizadas comercialmente (Figura 15). 9

10 a partir da superfície terrestre. A luz solar é a principal fonte de REM dos sensores passivos. São considerados sensores: Figura 15 Exemplo de imagem de alta resolução. 1.4 Conceito de sistemas sensores e suas diferenças Segundo Moraes (2002) Os sensores remotos são dispositivos capazes de detectar a energia eletromagnética (em determinadas faixas do espectro eletromagnético) proveniente de um objeto, transformá-las em um sinal elétrico e registrá-las, de tal forma que este possa ser armazenado ou transmitido em tempo real para posteriormente ser convertido em informações que descrevem as feições dos objetos que compõem a superfície terrestre. As variações de energia eletromagnética da área observada podem ser coletadas por sistemas sensores imageadores ou nãoimageadores. Figueiredo (2005), afirma que existem dois tipos de sensores, de acordo com a fonte de onda: Ativos: Estes sistemas utilizam REM artificial, produzida por radares instalados nos próprios satélites. Estas ondas atingem a superfície terrestre onde interagem com os alvos, sendo refletidas de volta ao satélite. Uma vantagem dos sensores ativos é que as ondas produzidas pelos radares atravessam as nuvens, podendo ser operados sob qualquer condição atmosférica. Uma desvantagem é que o processo de interação com os alvos não capta, tão detalhadamente quanto os sensores passivos, informações sobre as características físicas e químicas das feições terrestres. Passivos: Utilizam apenas a radiação eletromagnética natural refletida ou emitida Olho Humano: Cada ponto do objeto reflete luz em todas as direções e parte dessa luz refletida atinge o olho sendo focalizado pelo cristalino (uma lente orgânica) sobre o fundo do olho numa região chamada retina. O conjunto de todos os pontos projetados sobre a retina formam uma imagem do objeto (Figura 16). Na retina, milhões de células sensíveis à luz são estimuladas pela imagem e transmitem sinais nervosos para o cérebro, através do nervo óptico. No cérebro esses sinais são interpretados como sensações de forma, brilho e cor em função de nossa experiência visual. Figura 16 Formação e um objeto sob a perspectiva do olho humano Câmeras Digitais: Uma câmera digital gera imagens pancromáticas em tons de cinza, entretanto a sua configuração pode ser modificada para que produza imagens coloridas (Figura 17). A luz proveniente da cena é separada por um dispositivo óptico, formado por prismas e filtros, em três componentes. Escolhendo filtros adequados para as cores primárias azul, verde e vermelho, uma imagem da cena, em cada uma dessas três bandas, é projetada 10

11 sobre o chip CCD correspondente que substitui o filme. visual e por isso esse tipo de imagem é denominada falsa-cor. Figura 17 Esquema de funcionamento de uma máquina digital e analógica Câmeras Não Convencionais: Uma câmera digital também pode ser considerada um sensor remoto, porém só registra informações que estejam na faixa do espectro visível. No entanto existem outras câmeras que são adaptadas de forma a registrar também a faixa da radiação do Infra-Vermelho, importante para informações pertinentes à vegetação (Figura 18). Figura 19 - imagens que registram o infravermelho da mesma forma que uma câmera pode ser modificada para identificar a radiação do infravermelho outras bandas podem ser adicionadas a partir do uso de chips e filtros convenientes (Figura 20). Os sensores orbitais hoje são muito sofisticados e trabalham com várias bandas. Ex.: Sensor TM Figura 18 funcionamento de uma câmera que registra o infravermelho Como não existe uma cor básica correspondente ao infravermelho, um artifício é utilizado na hora de observar a imagem obtida no computador. Utilizamos a cor básica azul para representar o registro da banda verde, a cor verde para representar o registro da banda vermelha e a cor vermelha para representar o registro da banda infravermelha. A imagem produzida tem as formas e textura esperadas, entretanto, as cores não correspondem à nossa experiência Figura 20 bandas que podem ser adicionadas na câmera não convencional Os sensores remotos também podem ser divididos pela forma de aquisição da imagem, da seguinte maneira: Orbitais (Figura 21): quando os sensores realizam a aquisição da imagem na órbita da terra. Ex: Satélites quickbird, ikonos, Cbers. 11

12 Figura 23 Exemplo das atividades que englobam a to ametria (que é uma atividade do sensoriamento remoto) Figura 21 Exemplo de sensores orbitais. Suborbitais (Figura 22): quando os sensores fazem a aquisição dos dados na atmosfera. Ex: aviões acoplados com câmeras fotográficas, balões meteorológicos. Figura 22 Exemplo de sensores suborbitais PALESTRA MUNDO GEO 1.5 Fotogrametria Fotogrametria e sensoriamento remoto é a arte, ciência e tecnologia de se obter informação confiável de imagens de sensores imageadores e outros, sobre a Terra e seu meio ambiente, e outros objetos físicos e processos através de gravação, medição, análise e representação (Photogrammetric Engineering and Remote Sensing). Esse conceito dá idéia de que ambos os termos possuem a mesma conceituação, conforme a figura abaixo (Figura 23). - FOTOGRAMETRIA Aerofotogrametria é uma técnica que tem como objetivo elaborar mapas mediante fotografias aéreas tomadas com câmaras aero-transportadas (eixo ótico posicionado na vertical), utilizando- se aparelhos e métodos estereoscópicos. Segundo o autor, a tendência, hoje em dia, principalmente com o desenvolvimento da fotogrametria digital e de sensores orbitais compatíveis com a atividade fotogramétrica é que a fotogrametria esteja inserida no contexto global de sensoriamento remoto, a grosso modo definido como ciência e tecnologia de aquisição de informação sobre um objeto sem contato direto entre este e o sensor. PERGUNTA? O que é fotogrametria e qual a sua relação com o sensoriamento remoto? A linha de vôo para se fazer à aquisição da foto aérea deve ser feita de forma seqüencial e permitindo a superposição longitudinal e lateral da imagem, com intuito de se ter o recobrimento total da imagem e sua posterior articulação através do georreferenciamento (inserção de localização geográfica na imagem longitude e latitude) conforme figura abaixo (Figura 24). Figura 24 Esquema de linha de vôo 12

13 CAPITULO 2 O ESPECTRO ELETROMAGNÉTICO E O PROCESSAMENTO DIGITAL DE IMAGENS (PDI) 2.1 Processo de aquisição de Imagens A aquisição de dados de uma imagem é obtida através da energia eletromagnética emitida ou refletida pelos objetos terrestres e registradas por sensores remotos. A energia eletromagnética utilizada na obtenção dos dados por sensoriamento remoto é também denominada de radiação eletromagnética (Moraes, 2002). O Sol é a principal fonte de energia para toda a nossa galáxia, devido a sua alta temperatura, irradia uma grande quantidade de energia para todo o sistema solar. Essa energia viaja a uma velocidade aproximada de km/s, a energia radiante, também denominada radiação solar, chega a Terra aonde é em parte absorvida pelos objetos terrestres e em parte refletida de volta para o espaço. Como os sensores não possuem fonte de energia própria, se aproveitam da parte da radiação solar que é não é absorvida na Terra para obterem as imagens (Figura 25). Com isso, Os sensores medem a quantidade de energia refletida ou emitida pelo alvo em várias faixas do espectro eletromagnético (bandas). http// (explicação a cerca da concepção do sensoriamento remoto). A radiação eletromagnética se propaga na forma de ondas produzidas pela oscilação dos campos elétrico e magnético (Figura 26). Ela é caracterizada por apresentar comprimentos de onda (λ) que representam a distância entre dois pontos de igual intensidade dos campos elétrico e magnéticos (Machado et al., 2008). Figura 26 Diversos comprimentos de ondas eletromagnéticas Em conformidade com o comprimento de onda, a luz propicia as distintas sensações de cor que os seres humanos visualizam. Por exemplo, as radiações da banda entre 400nm até 500nm, nossa visão, permite a escala de azul e cian. As da banda entre 500nm e 600nm, a escala de verde e as contidas na banda de 600nm a 700 nm, a escala de amarelo, laranja e vermelho. As peculiaridades de cada elemento no espaço geográfico fazem com que os objetos absorvam, reflitam ou emitam radiação ao longo do espectro eletromagnético gerem as faixas espectrais (bandas) em concordância com a possibilidade de obtenção de dados possíveis de interpretar na imagem, foto aérea ou outro tipo de material cartográfico. Para melhor entendimento do processo de radiação ao longo do espectro eletromagnético, se fará a observação da figura abaixo (Figura 27) e o seguinte exemplo fornecido por Steffen (2002): Figura 25 Esquema de processo de aquisição de uma Imagem de Satélite 13

14 Figura 27 - Propagação da energia. ao agitar uma corda você transfere energia para ela e esta energia se propaga formando ondas ao longo da mesma. Se você observar com cuidado verá que as ondas que se formam tem uma geometria que se repete em ciclos de mesmo comprimento ao longo da corda. Esse comprimento de onda depende da freqüência com que você agita a corda e também da velocidade com que as ondas podem se propagar através dela (numa corda fina as ondas se propagam mais rapidamente que numa grossa). Desta forma, uma propagação ondulatória de energia pode ser caracterizada pelo comprimento ou freqüência das ondas que se formam. Para produzir ondas curtas você precisa agitar a corda com freqüência mais alta, isto é, transferir mais rapidamente energia para a corda; por isso, as ondas de comprimento de onda curto transportam mais energia por segundo. Diferente dos outros tipos de energia que dependem de um meio material (como a corda) para se propagar de um lugar para outro, a energia radiante pode se deslocar através do vácuo; neste caso, os físicos dizem que a radiação se propaga através de um meio denominado campo eletromagnético e, por isso, é também denominada radiação eletromagnética (REM). A visão do homem é sensível somente a uma pequena banda de radiações do espectro eletromagnético situada entre 400nm e 700nm, denominada Luz visível. - Luz Visível e Espectro Eletromagnético Segundo Moraes (2002), pode-se observar no espectro eletromagnético a existência das seguintes regiões: Radiação Gama: é emitida por materiais radioativo e, por ser muito penetrante (alta energia), tem aplicações em medicina (radioterapia) e em processos industriais (radiografia industrial). Raio X: é produzido através do freamento de elétrons de grande energia eletromagnética. Seu médio poder de penetração o torna adequado para uso médico (raio X) e industrial (técnicas de controle industrial). Ultravioleta (UV): é produzida em grande quantidade pelo Sol, sendo emitida na faixa de 0,003 μm até aproximadamente 0,38μm. Seu poder de penetração a torna nociva aos seres vivos, porém esta energia eletromagnética é praticamente toda absorvida pela camada de ozônio atmosférico. Visível (LUZ): é o conjunto de radiações eletromagnéticas que podem ser detectadas pelo sistema visual humano. A sensação de cor que é produzida pela luz está associada a diferentes comprimentos de ondas. As cores estão associadas aos seguintes intervalos espectrais. Infravermelho (IV): é a região do espectro que se estende de 0,7 a 1000 μm. Microondas: são radiações eletromagnéticas produzidas por sistemas eletrônicos (osciladores) e se estendem pela região do espectro de 1mm até cerca de 1m, o que corresponde ao intervalo de freqüência de 300GHz a 300MHz. Os feixes de microondas são emitidos e detectados pelos 14

15 sistemas de radar (radio detection and ranging). Radio: é o conjunto de energias de freqüência menor que 300MHz (comprimento de onda maior que 1m). Estas ondas são utilizadas principalmente em telecomunicações e radiodifusão. Cada objeto na superfície terrestre fornecerá ao satélite uma resposta espectral, fazendo com que a radiação eletromagnética tenha o seguinte comportamento: No momento em que a REM atinge a matéria ocorrem interações, podendo a energia comportar- se da seguinte maneira: parte do fluxo de REM é refletido parte penetra no objeto, sendo progressivamente absorvido parte consegue atravessá-lo, emergindo para o espaço. Tendo como base tal afirmação, Di Maio (2010) escreveu sobre as grandezas em Sensoriamento Remoto que influência na resposta espectral dos objetos na superfície terrestre: Irradiância (Figura 28) - É a medida do fluxo radiante sobre uma área, ou seja, é o grau de luminosidade medida em nível de superfície w/m2. Figura 29 exemplo de exitância Radiância (Figura 30) - É o fluxo radiante por unidade de área que deixa uma superfície numa dada direção. Figura 30 Exemplo de radiância Reflectância: Quando os raios solares interagem com um objeto, são em parte absorvidos, refletidos, ou mesmo transmitidos (objetos transparentes). A parte da radiação absorvida se transforma em calor ou energia e a parte refletida retorna para o espaço. O fator que mede a capacidade de um objeto de refletir a energia radiante indica a sua reflectância. Figura 28 exemplo de irradiância Exitância (Figura 29) - É a medida do fluxo radiante refletido ou emitido por uma superfície - w/ m2. 15

16 representar na imagem. Formalmente, é definida como a menor separação angular ou linear que um sensor pode diferenciar, medido em linhas por milímetro, metros ou estéreos radianos. Determinará o tipo de aplicação na qual pode ser utilizada, em função da escala de trabalho e/ou do grau de detalhamento desejado da superfície terrestre. Figura 31 Diferentes repostas de refletância sobre os objetos (Fonte: Inpe) CONCEITO IMPORTANTE Assinatura espectral (figura 32) é a intensidade relativa com que cada corpo reflete ou emite a radiação eletromagnética nos diversos comprimentos de onda. Figura 32 - Elementos no espaço geográfico e suas respectivas assinaturas espectrais. 2.2 Resoluções no sensoriamento remoto Segundo Silva (2010), as imagens de sensoriamento remoto possuem ainda quatro características de resolução que dependem tanto das propriedades técnicas dos sensores quanto das características da órbita do satélite ou plataforma orbital, e são normalmente utilizadas para caracterizar uma imagem: Resolução Espacial: A resolução espacial indica o tamanho do menor objeto que é possível - Apresentação do portifólio de imagens de satélite de alta, média e baixa resolução Resolução Espectral: A resolução espectral dos sensores indica a quantidade de regiões do espectro eletromagnético nas quais o sensor é capaz de gerar uma imagem, ou seja quantas bandas o sensor é capaz de gerar. Quanto maior a quantidade de bandas de um determinado sensor, podemos assumir que a capacidade do sensor em discriminar coberturas diferentes sobre a superfície é também maior. Resolução Temporal: A resolução temporal se refere ao intervalo de tempo em dias ou horas, que o sistema demora em obter duas imagens consecutivas da mesma região sobre a Terra. Da mesma forma em que a resolução espacial das imagens deve ser associada a uma escala espacial para uma determinada aplicação, a escolha da resolução temporal deve ser coerente com a escala temporal e dinamismo do processo monitorado. Resolução Radiométrica: Refere-se ao número de pixels da imagem digital gerada pelo sensor. Quanto maior o número de pixels, mantendo-se a dimensão 16

17 da imagem, mais detalhes serão distinguíveis em escalas maiores. 2.3 Processamento Digital de Imagens Esse não é o tema base da apostila, mas é de suma importância, pois o tratamento da imagem deve passar pelo processamento digital de imagens. Nesse sentido, a apostila ira abordar alguns temas do processamento digital de imagens (Figura 33), porém sem aprofundar a discussão teórica. Por que processar as imagens? A publicação que mais trata desse assunto é de autoria de Machado et al. (2008), e, segundo desse autor o processamento digital de imagens é uma área extremamente ampla, e que muitas vezes envolve procedimentos que podem ser matematicamente muito complexos.portanto, o objetivo aqui é introduzir os princípios básicos do processamento digital de imagens sem entrar no mérito dos detalhados e complexos procedimentos matemáticos, que estão muito bem apresentados em Gonzáles e Woods (2000). Imagem digital é definida como uma matriz bidimensional de números inteiros que corresponde a medidas discretas de radiância espectral de uma área. Cada ponto dessa matriz é denominado picture element ou abreviadamente pixel. A realização de um conjunto de atividades após a aquisição da imagem se faz necessária pelo fato de melhorar definições da imagem e corrigir algumas incoerências que dificultem a avaliação dos objetos que se pretende estudar (Figura 34). Essa atividade no sensoriamento remoto é chamada de processamento de imagens que consistem em extrair informações contidas em uma imagem ou realizar transformações na mesma que possibilitem dar facilidade na interpretação da mesma, sendo possível a análise dos atributos. Figura 33 Imagens processadas do plano piloto em Brasília Figura 34 Atividades que melhoram as definições da imagem 17

18 Tais atividades e/ou operações são realizadas quando as imagens brutas adquiridas a partir de sensores remotos necessitam de tratamento por contaminação de ruído (exemplo: como nuvens e sombras); imagens distorcidas pelo mal funcionamento do sensor, instabilidade da plataforma em que o sensor está embarcado, etc. O propósito geral do processamento de imagem é preparar o dado de imagem para que este possa ser melhor utilizado nas etapas subseqüentes de interpretação e extração de informações (Machado et al, 2008). Na verdade, o processamento digital de imagens tem por objetivo Identificar e extrair informações da imagem, além de transformar a imagem (aumentar o contraste, realçar bordas) de tal modo que a informação seja mais facilmente discernível por um analista humano (Figura 35). Figura 35 Exemplos de Imagens de satélites O pré-processamento, que é a etapa preliminar do tratamento digital de imagens, tem esta finalidade. Normalmente o fornecedor das imagens, (INPE e empresas), se encarrega de proceder esta tarefa, antes de entregar as imagens para o usuário. Três tipos principais de pré-processamento são utilizados: Correção radiométrica: Os erros radiométricos internos a uma banda e entre bandas podem ser causados pela configuração e operação do sensor. Dentre os erros existentes, os mais comuns e prejudiciais à extração de informações são os relacionados aos sistemas de detectores. Esse procedimento é necessário, principalmente, em imagens de uma mesma localidade, porém adquiridas em datas diferentes, e que por esse motivo estão sujeitas a variações quanto ao grau de iluminação e da ação de diferentes condições atmosféricas. O objetivo é corrigir as distorções introduzidas pelos seguintes fatores: variações de iluminação da cena devido a diferentes ângulos de iluminação solar (geração de mosaicos), condições atmosféricas (neblina) que produzem espalhamento (Machado et al., 2008). Outro erro radiométrico derivado do processo de imageamento é a ausência de linhas de imageamento (missing scan lines). Essa ausência de linhas pode ser provocada por alterações na órbita do satélite, falhas intermitentes na transmissão do sinal etc. O resultado é que a imagem obtida possui algumas linhas para as quais não existem dados. Embora os dados não existam mais, existem métodos para estimá-los a partir da análise de pixels adjacentes, de modo a que a imagem possa ser aproveitada. Correção de ruídos: 18

19 Segundo Machado et al (2008), ruído é qualquer perturbação na imagem devido a limitações no sensoriamento, na digitalização do sinal ou no procedimento de gravação dos dados. O ruído pode tanto degradar a imagem como também mascarar totalmente a verdadeira informação radiométrica contida na imagem digital. Os ruídos podem ser decorrentes de variações na resposta de detectores individuais (bandeamento ou stripping ), que acarretam na perda de linhas ou pixels. Realce Machado et al. (2008) afirma que são procedimentos que visam melhorar a visualização ou a gravação do dado para posterior interpretação visual. Normalmente o realce de imagens envolve técnicas para aumentar a diferenciação visual entre alvos em uma cena. O objetivo é criar novas imagens a partir da imagem original para ampliar a quantidade de informação que pode ser interpretada visualmente na imagem. Os procedimentos de realce de imagem mais comumente aplicados são: manipulação de contraste, manipulação das características espaciais e manipulação de múltiplas imagens (bandas). Pode ser feita através de alteração do contraste que considera que geralmente os níveis de cinza de uma cena, obtidos por um sistema sensor qualquer, não ocupam todo o intervalo de valores possíveis. Através de uma transformação matemática, o intervalo original é ampliado para toda a escala de níveis de cinza ou números digitais disponíveis. Por exemplo, uma imagem qualquer na qual os níveis de cinza estejam variando de 50 a 100, pode ter sua faixa de níveis de cinza aumentada para ocupar toda a faixa de valores possíveis que é de 0 a 255. Outra forma de se fazer manipulação de realce é realizando a composição colorida. Esse processor é iniciado quando começa-se atribuir cores primárias, ou seja, vermelha, verde e azul. A imagem é pintada pixel a pixel, de acordo com o nível de cinza que a imagem tiver (quanto mais o tom cinza, menor a coloração aplicada). 2.4 Classificação de imagens Segundo Machado et al. (2008), A classificação de imagens é definida em função do padrão de processamento dos dados, ou seja, reconhecimento do padrão espectral, espacial ou temporal, recorrendo, respectivamente, a análises da reflectância dos pixels nas diferentes bandas, análises da relação espacial entre os pixels e a análise das diferenças entre duas ou mais cenas tomadas em épocas diferentes. Ainda segundo o autor, o objetivo geral da classificação de imagens multiespectrais é categorizar automaticamente todos os pixels pertencentes à uma imagem dentro de classes ou temas de cobertura do solo, gerar mapas ou imagens temáticas e servir como fonte de dados para um sistema de informações geográficas (SIG). Dentre os tipos de classificações de imagens mais usados temos: Classificação supervisionada: Para implementação da classificação supervisionada o analista, a partir do conhecimento da área ou por inferências, relaciona áreas da imagem com as classes de cobertura da terra que deseja separar. Nestas áreas são selecionadas amostras de treinamento que são um conjunto de pixels considerados mais representativos das classes de interesse. As classes são, portanto, definidas a priori e o processo de classificação visa a enquadrar cada pixel a uma classe. Todos os pixels das amostras de treinamento de uma dada classe constituem o conjunto de treinamento para aquela classe, o qual define um padrão de comportamento espectral da classe, geralmente expresso pelos parâmetros 19

20 estatísticos. O enquadramento de um pixel a uma das classes é feito por vários métodos, levando-se em consideração os valores de NC do pixel nas várias bandas utilizadas e os padrões das classes. (IBGE, 1999). Método da mínima distância: Segundo IBGE (1999), Este método toma como referência, para cada classe, um ponto no espaço multidimensional definido pela média estatística em cada banda espectral considerada. O algoritmo associa cada pixel desconhecido à classe cuja média está mais próxima. Método da máxima verossemelhança: A forma geométrica de um conjunto de pontos representando os pixels de uma classe de interesse pode ser descrita, num gráfico de dispersão bidimensional, por uma elipse. A localização, forma e tamanho da elipse, portanto, reflete a média, variância e covariância das duas variáveis, e a idéia pode facilmente ser estendida para três ou mais dimensões. Portanto, considerando-se apenas duas bandas, pode-se pensar no diagrama de dispersão como uma família de elipses concêntricas centradas na média. Estas elipses representam linhas de eqüiprobabilidade de um pixel desconhecido pertencer à classe. Para um conjunto de três bandas, deve-se pensar em termos de elipsóides concêntricos de eqüiprobabilidade. Definidos os parâmetros estatísticos, o algoritmo enquadra o pixel na classe para a qual apresenta a mais alta probabilidade (IBGE,1999). Classificação não-supervisionada: A classificação não-supervisionada agrupa os pixels segundo as suas características espectrais, organizando-os em agrupamentos denominados de clusters (enxame, aglomeração). Os parâmetros mais utilizados para definir os clusters são a média, variância e covariância, pelos quais a proximidade espectral dos pixels no espaço multidimensional é definida. Os clusters constituem, portanto, classes espectrais. Esta é uma importante diferença em relação à classificação supervisionada, já que nesta cabe ao analista definir a priori as classes que deseja separar (classes de interesse), enquanto na classificação não-supervisionada o analista fornece apenas alguns parâmetros como o número mínimo e máximo de classes desejadas e número de iterações. As classes espectrais geradas numa classifica (IBGE, 1999). 20

21 CAPITULO 3 INTERPRETAÇÃO DE IMAGENS 3.1 Interpretação de imagens As imagens que já receberam tratamento e foram georreferenciadas, são submetidas a interpretação para se identificar os elementos de interesse no arquivo raster. Os principais componentes da interpretação são os seguintes: GEORREFERENCIAMENTO SPRING Figura 37 Distinção entre as feições erosivas (voçorocas e ravinas) Padrão (Figura 38) - Refere-se a combinação de detalhes ou a forma que são características de muitos grupos de objetos, naturais ou antrópicos; Forma (Figura 36) - Reconhecimento de configurações e margens em geral, é o fator mais importante na identificação visual de objetos durante a interpretação de imagens; Figura 38 Identificação de feições pela forma - loteamentos Figura 36 interpretação por meio da forma edificações Tamanho (Figura 37) - Objetos com formas idênticas e visão plana podem ser distinguidos pelo seu tamanho. Assim é possível diferenciar, por exemplo, uma voçoroca de um sulco de erosão; Textura (Figura 39) - É a freqüência de mudança da tonalidade dentro de uma imagem. Esta tonalidade é produzida por um agregado de componentes muito pequenos que não são foto-identificados separadamente; Figura 39 Identificação de feições pela textura - vegetação 21

22 Tonalidade/Cor = É a medida da quantidade relativa de luz refletida por um objeto e captada pelo sensor fotográfico. Essa reflectância depende ainda de aspectos naturais como umidade e ângulo de incidência dos raios solares e de técnicos como filtros e filmes utilizados entre outros; Escolha da escala de digitalização; Segmentação manual das classes através da digitalização e a partir da fotointerpretação, separando os diferentes padrões de respostas reflectivas dos materiais; Trabalho de campo; Classificação temática dos polígonos fatiados ; Conversão e diagramação do mapa em Corel Draw, ou outro programa de edição de imagens. Aplicando o conhecimento: Após a aquisição de uma imagem de satélite e, na mesma houve a delimitação de uma área com intuito de se analisar o uso e cobertura do solo. Para tanto, fez-se necessária a escolha das classes de solo que farão parte do mapa (floresta, pastagem, agricultura, área urbana, dentre outros), assim como a interpretação da mesma conforme figura abaixo (Figura 41): Figura 40 Identificação de feições pela tonalidade ou cor dos objetos 3.2 Aplicação do processo de interpretação de imagens Figura 41 Interpretação de usos do solo a partir de uma imagem de satélite Curiosidade: Mas, como trabalhar com interpretação de imagens? A metodologia para sua aplicação é a seguinte: Escolha das imagens de acordo com a demanda; Escolha do Software; Digitalização do limite da área a ser interpretada; 22

23 Após a delimitação de cada classe encontrada na imagem através de interpretação, foi elaborado o mapa de uso e cobertura do solo da área estudada (Figura 42). Vegetação Secundária: apresenta a tonalidades do verde-escuro até tons mais claros e uma textura não tão rugosa, geralmente presente em fragmentos não contínuos (Figura 44). Figura 44 Imagem de satélite com a resposta espectral de uma vegetação secundária Figura 42 Mapa de uso e cobertura do solo elaborado após a interpretação das imagens Mangue: apresenta a tonalidade verde-musgo, e um padrão textural mais liso, encontrado em áreas planas, na orla ou beira dos rios (Figura 45) Parâmetros utilizados para interpretação segundo as classes propostas Floresta Ombrófila: apresenta a tonalidade verde-escuro, e um padrão textural rugoso (Figura 43). Figura 45 Imagem de satélite com a resposta espectral de um mangue Mangue Degradado: apresenta a tonalidades entre o verdemusgo e o marrom, sua textura é lisa, geralmente encontrado cercado pelo Mangue (Figura 46). Figura 43 Imagem de satélite com a resposta espectral das florestas ombrófilas. Figura 46 Imagem de satélite com a resposta espectral de um mangue (detalhe para as áreas degradadas marrons) 23

24 Capoeira: apresenta tonalidades entre o verde e o marrom, e um padrão textural mais rugoso, encontrado geralmente em pequenas áreas como topos de colinas (Figura 47). Figura 49 Imagem de satélite com a resposta espectral de uma área inundável Figura 47 Imagem de satélite com a resposta espectral de uma capoeira Pastagem: apresenta a tonalidades entre o verde-claro e o amarelo, sua textura é lisa (Figura 48). Vegetação de Várzea: apresenta tonalidades entre o verde-escuro e o verde-claro, com textura mais lisa, encontrado em áreas planas, no leito de rios (Figura 50). Figura 50 Imagem de satélite com a resposta espectral de uma várzea Figura 48 Imagem de satélite com a resposta espectral de uma pastagem Área Inundável: apresenta tonalidade marrom, e um padrão textural mais liso, encontrado em áreas planas como no fundo da Baía e na junção de rios e mangues (Figura 49). Solo Exposto: apresenta tonalidade entre o branco e o laranja sua textura é lisa. Apesar de ser uma forma trabalhada antropicamente, geralmente apresenta forma irregular (Figura 51). Figura 51 Imagem de satélite com a resposta espectral de um solo exposto 24

25 Rocha Exposta: apresenta tonalidade marrom, sua textura pode ser lisa ou rugosa. Geralmente está cercada por vegetação em morros (Figura 52). Figura 54 Imagem de satélite com a resposta espectral de uma área urbana de média densidade (horizontal) Figura 52 Imagem de satélite com a resposta espectral de uma rocha exposta 1. Área Urbana Alta Densidade de Ocupação (vertical): apresenta tonalidade entre o branco e o roxo com textura rugosa. Apresenta formas mais regulares (Figura 53). Área Urbana Baixa Densidade de Ocupação (Horizontal): apresenta tonalidade branca/amarela e formas geometricas. É possível distinguir o arruamento, poucas edificações são notadas (Figura 55). Figura 55 Imagem de satélite com a resposta espectral de uma área urbana de baixa densidade (horizontal) Figura 53 Imagem de satélite com a resposta espectral de uma área urbana de alta densidade (vertical) 2. Área Urbana Média Densidade de Ocupação (horizontal): apresenta tonalidade entre o branco e o Laranja com textura rugosa. Apresenta formas mais regulares (Figura 54). Pequenas Propriedades Rurais/Sítios: apresenta tonalidade branca/amarela e formas geométricas. Praticamente não são notadas ruas e edificações, pequenas formas geométricas verdes são notadas. Longe da área urbana (Figura 56). 25

26 Figura 56 Imagem de satélite com a resposta espectral de uma área de propriedades rurais / sítios Grandes Construções: classe substituída pelos temas área industrial, área Serviços/Comercial e Área de Lazer/Cultural/ Educacional, que dependem da sensibilidade do interpretador, de material de apoio e indicação dos técnicos locais (Figura 59). Área Agrícola: apresenta tonalidades do amarelo/ verde/ marrom e textura lisa. Possuí formas geométricas regulares pelo trabalho antrópico (Figura 57). Figura 59 Imagem de satélite com a resposta espectral de uma área industrial (grandes construções) Figura 57 Imagem de satélite com a resposta espectral de uma área agrícola Lixão/Aterro Sanitário/Usina de Reciclagem: Apresenta tons do branco ao cinza, com textura lisa e formas não regulares. Às vezes difícil de distinguir do solo exposto (Figura 60). Massa D água: apresenta tonalidades do azul/verde ao preto com textura lisa. Às vezes possuí formas geométricas regulares pela intervenção humana (Figura 58). Figura 60 Imagem de satélite com a resposta espectral de um lixão / aterro sanitário Figura 58 Imagem de satélite com a resposta espectral de uma massa d água 26

27 CAPITULO 4 GEOTECNOLOGIAS MEIO AMBIENTE E SEU USO 4.1 O uso de geotecnologias como ferramenta para o Geoplanejamento ambiental Segundo Nyerges (1993), um SIG integra basicamente cinco componentes: hardware, software, dados espaciais e não-espaciais, recursos humanos e métodos (Figura 61). A integração destes componentes em um SIG visa coletar, armazenar, analisar e disseminar informações sobre áreas da Terra. O hardware e o software servem de base para a execução de todos os processos e funções, e sofrem mudanças devido aos constantes avanços tecnológicos. SIG HARDWARE SOFTWARE DADOS ESPACIAIS E NÃO ESPACIAIS RECURSOS HUMANOS MÉTODOS Figura 61 - COMPONENTES DE UM SIG Fonte: Silva, F. G. Segundo Dainese (2001), as geotecnologias (sensoriamento remoto e geoprocessamento) tem por objetivo transferir as representações de uma realidade para o sistema computacional. Esta transferência é apoiada em bases cartográficas, através de um sistema de referência adequado. Nesse sentido, a manipulação dos dados referenciados geograficamente (georreferenciados) ocorre desde a sua aquisição até a geração de saídas na forma de mapas, relatórios ou arquivos digitais (Figura 62). MUNDO REAL CRUZAMENTO MANIPULAÇÃO ANÁLISE COLETA DE DADOS SAÍDA MAPAS CARTA-IMAGEM PLANILHA RELATÓRIO Figura 62 As geotecnologias e a transferência da Realidade para o Sistema Computacional Fonte: Fernandes, V. F. (2008) Segundo Moldes Teo (1995), para que um software se constitua numa plataforma SIG - Sistema de Informações Geográficas deve possuir principalmente os seguintes atributos: Um conjunto de elementos gráfico que represente as entidades gráficas usuais na cartografia digital, tais como: linhas, pontos, símbolos, redes, imagens, etc., georreferenciados; Uma base de dados que permita gerenciar de forma simples (agregado ou separado) os dados alfanuméricos e gráficos referentes a um espaço territorial; Uma base de dados tabular que permita a existência de relações topológicas (ou espaciais como exemplo, a proximidade de entidades, a inclusão de uma entidade em outra, a continuidade de uma rota, etc); ARMAZENAMENTO 27

28 Existência de um sistema que permita consultas e simulações na base de dados, tanto gráficas quanto alfanuméricas; Sistema de geração de cartografia automática a partir das consultas e simulações. Segundo Câmara et al. (1996), as características principais geotecnologias se resumem nas seguintes: Integrar, numa única base de dados, informações espaciais provenientes de dados cartográficos, dados de censo e cadastro urbano e rural, imagens de satélite, redes e modelos numéricos de terreno; Combinar as várias informações, por meio de algoritmos de manipulação, para gerar mapeamentos derivados e; Consultar, recuperar, visualizar e plotar o conteúdo de base de dados geocodificados e georreferenciados. Algumas atividades que usam as geotecnologias como ferramenta e estão vinculadas à temáticas ambientais, se baseiam, na construção de um Plano de Informações (PI), tais como o uso de imagens de satélites, mapas pedológicos, geológicos, geomorfológicos, de vegetação, de clima, com a geração de produtos intermediários como cartas de vulnerabilidade à perda de solo, e a integração dos dados de meio físico biótico a dados socioeconômicos (Mapedza et al., 2003). As geotecnologias utilizam técnicas de grande relevância para o planejamento ambiental, visto que, é um sistema de informações que possibilita o trabalho com dados referenciados por coordenadas espaciais ou geográficas (Star & Estes, 1990), e corrobora para o aumento da velocidade das decisões tomadas. Com isso, é pertinente dissertar que as geotecnologias além de melhorar a organização e integração de dados pode ser utilizado nos estudos de variabilidade espacial e temporal bem como na avaliação da rede de drenagem de bacias hidrográficas (Pertesen et al., 1991). O sensoriamento remoto é outra ferramenta de suporte ao planejamento ambiental. É realizada através da utilização de sensores para a aquisição de informações sobre objetos ou fenômenos sem que haja contato direto entre eles (Novo, 1995). Esta ferramenta serve de base para a produção cartográfica através do geoprocessamento a partir de uma escolha adequada da interpolação das bandas multi - espectrais, podendo obter informações atuais sobre as condições espaciais de uma determinada área. As melhorias na disponibilidade de dados geoespaciais de alta - resolução facilitará a elaboração de mapas de temáticos, e assim, melhorar a compreensão da vulnerabilidade de perda de solo nas bacias hidrográficas, com a interação de dados que permitam a análise da contribuição dada pelo substrato rochoso, da pedologia e do clima na aceleração dos processos erosivos, na mudança do uso do solo e cobertura do cobertura vegetal e potencial para restauração das mesmas. Veiga & Xavier da Silva (2004), atribuem ao termo geoplanejamento dois sentidos: A intenção de se relacionar o planejamento com a geografia, representando o espaço geográfico, ou no caso, o território a ser planejado e as características físico - bióticas e socioeconômicas desse território, sem se deter em seus aspectos penas quantitativos; A intenção de se relacionar o planejamento com o geoprocessamento, identificando um conjunto de métodos e técnicas que operam sobre bases de dados digitais georreferenciadas, para 28