Colégio Politécnico da UFSM DPADP0017 : Sensoriamento Remoto (Prof. Dr. Elódio Sebem)

Transcrição

1 Definição de Sistema: Sistema é uma estrutura, dispositivo, esquema ou procedimento, real ou abstrato que relaciona, em um tempo de referencia dado, uma entrada, causa ou estímulo de matéria, energia ou informação e uma saída, efeito ou resposta de informação, energia ou materia (Dooge, 1973). Componentes do Sistema AentradaX(t). O operador ou função de transferência H. A saída Y(t). A função de transferência H, que contém a caracterização matemática do processo que relaciona a entrada com a saída, é a que transforma a entrada em saída e pode considerar-se com o próprio sistema. A relação existente entre a entrada e a saída se expressa mediante: que indica que Y(t) éarespostadeh a X(t).

2 Sistemas Lineares: Um Sistema H é linear se cumpre as seguintes propriedades: Princípio da Proporcionalidade: Se para a entrada X 1 no sistema corresponde uma saída Y 1,aentradaC*X 1 produzirá uma saída C*Y 1,sendoC uma constante. Pi Princípio i da aditividade: id d Se duas entradas individuais X 1 e X 2 produzem, respectivamente, duas saídas Y 1 e Y 2,a entrada X 1 +X 2 deverá produzir a saída Y 1 +Y 2. Combinando as duas propriedades acima teremos: H(C 1 *X 1 +C 2 *X 2 )=C 1 *H(X 1 )+C 2 *H(X 2 )=C 1 *Y 1 +C 2 *Y 2 Sistemas de Sensoriamento Remoto: Os Sistemas formadores de imagens são sistemas lineares invariáveis no tempo, ou seja, a magnitude dasaída não depended do tempo e sim da entrada a imagem é estática. Na formação das imagens teremos: Sistema: O sensor (instrumento de aquisição). Entrada: a radiância da cena. Saída: a irradiância sobre o plano focal.

3 A imagem digital é um modelo digital de reflectâncias. Do ponto de vista físico, a imagem é uma distribuição bidimensional de energia eletromagnética. Existem somente quando a superfície está iluminada por uma fonte radiante. Se considerarmos uma fonte radiante, cuja distribuição espectral de energia esta dada por uma função c(λ), e se fazemos incidir sobre uma superfície de reflectância ρ(λ), a energia E devolvida será: sendo K = constante

4 A imagem contínua A reflectância tem dependência espacial: Cada ponto (x, y) tem uma intensidade luminosa diferente. Modelo matemático para uma imagem monocromática fixa: s almente 0 1 usualmente 0 z 1: onde,0=negroe1=branco

5 Aimagemdiscreta Uma imagem discreta está formada por um conjunto finito de valores de reflectância obtidos mediante a amostragem sistemática de uma imagem contínua. As coordenadas dos pontos são discretas. A reflectância varia de forma contínua. Aimagemdiscretaefinita Se as coordenadas (c, l) cumprem: 0 c C 1 0 l L -1 Então a imagem é finita e está representada por uma matriz de dimensões C x L.

6 A imagem multiespectral Se a cada posição (m, n) podemos fazer corresponder mais de um valor z, o conjunto destes pode ser representado como um vetor (vetor de características): Paraa poder ser processada digitalmente, a radiância também devee ser discreta: e além disso:

7 Níveis Digitais Imagem Monobanda

8 Níveis Digitais Imagem Multiespectral

9 Níveis Digitais Imagem Multiespectral

10 A aquisição da Imagem O sensor a bordo do satélite se comporta como um sistema formador de imagens que opera sobre o sinal de entrada mediante seus dispositivos óticos eletrônicos para gerar uma saída. Aentradaéaradiânciadacenaprocedentedasuperfícieterrestre,incluídaacontaminação produzida pela radiância i difusa da atmosfera. A saída, a irradiância da imagem, isto é, o nível digital conferido a cada píxel da própria imagem. Representando o sistema formador de imagens pelo operador H, teremos: sendo ƒ(ξ,η) aradiânciadacena no espaço objeto, e g(x,y) a irradiância da imagem no espaço imagem.

11 A Função de Dispersão Pontual Se a entrada no sistema é um impulso unitário, a resposta é a Função de Dispersão Pontual (PSF, Point Spread Function). - A PSF representa a resposta do sistema ao impulso unitário e descreve a imagem bidimensionali de umafonte pontual. - Modela a degradação que sofre o sinal. Aresposta do sistema Se por outro lado, por ser linear o sistema, a entrada consiste em dois ou mais impulsos, o sinal de saída será a soma dos sinais correspondentes a cada um por separado:

12 Invariabilidade ao deslocamento O sistema formador de imagens é invariável ao deslocamento: Se o sinal de entrada sofre um deslocamento espacial, o sinal de saída registra o mesmo deslocamento sem modificação da PSF: A imagem adquirida Se ƒ r (x, y) é a resposta do sistema H a uma entrada arbitrária ƒ e (x, y), podemos escrever:

13 A imagem adquirida... e considerando linear o sistema: que é a expressão de uma convolução* Em consequência, a imagem adquirida ida é a convoluçãool da imagem real pela resposta do sistema ao impulso unitário: * Se denomina convolução de duas funções f1(t) e f2(t) a função f(t) definida da seguinte * Se denomina convolução de duas funções f1(t) e f2(t) a função f(t) definida da seguinte forma:

14 Formas de Aquisição: Tipos de Sensores Passivos Não Scanners Não formadores de imagens - radiometros de microondas -sensoresmagnéticos - gravímetros - espectrometros de Fourier -outros Formadores de imagens - camaras monocromaticas cor natural infra-vermelho infra-vermelho colorido outras. Scanners Formadores de imagens Scanner do plano imagem - camaras de TV - scanners sólidos Scanner do plano objeto - óptico-eletrônicos - radiômetros de microondas

15 Formas de Aquisição: Radiômetros de Microondas Medem a intensidade radiante de comprimentos de onda compreendidas entre 1 e 100mm. Podem ser utilizados em condições de nebulosidade d ou falta de iluminaçãoi A resolução destes sistemas é diretamente proporcional ao diâmetro de abertura da antena receptora e inversamente proporcional p ao comprimento de onda explorado. Os radiômetros de microondas são úteis em campanhas sobre áreas polares cuja alta reflectividade dificulta a observação na faixa do visível.

16 Formas de Aquisição: Scanner de Varredura Exploram a superfície mediante a varredura da cena graças a um espelho basculante, cujo eixo de oscilação é paralelo a trajetória do satélite portador. Antes de ser registrado o sinal pode ser decomposto opticamente em várias bandas espectrais, cada uma das quais se envia para um detector para formar uma imagem multiespectral. Conhecendo-se os parâmetros de calibração do sensor e as condições de aquisição é possível transformar os níveis digitais da imagem em valores físicos de radiância. Os dados são coletados píxel a píxel. Ex.: Landsat TM

17 Formas de Aquisição: Scanner de Varredura

18 Formas de Aquisição: Explorador de varredura linha a linha (pushbroom) A partir do Sensor HRV do Spot o sistema de exploração prescindiu do espelho oscilante. Os detectores t se colocam em linha, de modo aqueosmesmoabarquem todo ocampo de visão. A linha de detectores vai se excitando ordenadamente com o movimento do satélite. Em geral, estes sistemas aumentam a resolução espacial do sensor, pois ao eliminar as partes móveis minimizam o erro produzido pela falta de sincronia entre o seu movimento e o da plataforma. A captura de dados não se realiza píxel a píxel mas sim linha a linha. Apresentam como inconveniente a dificuldade de calibrar toda a cadeia de detectores,para que todos mantenham os mesmos coeficientes de conversão da radiância em nível digital.

19 FORMAÇÃO DAS IMAGENS Tipos de Sensores Formas de Aquisição: Explorador de varredura linha a linha (pushbroom)

20 Formas de Aquisição: Tipos de sensores ativos Não Scanners Não formadores de imagens - radiômetros de microondas - altímetros de microondas - batímetros laser -distanciometros laser Scanners Formadores de imagens - Scanners do plano objeto radar de abertura real radar de abertura sintética (SAR) - Scanners do plano imagem radar passivo phased array

21 Formas de Aquisição: Radar Sistema ativo que emite pulsos de energia eletromagnética de comprimento de onda compreendida entre 1mm e 1m e mede a radiação refletida pela superfície. Consiste em um mecanismo gerador de pulsos eletromagnéticos que, por um lado controlam a emissão de energia do transmissor e por outro acionam um mecanismo de registro. A antena emite um pulso e recebe a resposta do terreno. Um comutador eletrônico (duplicador) evita a interferência entre ambos pulsos. O receptor é um amplificador do sinal captado pela antena. O pulso recebido é gravado ado paraa o seu processamento posterior no segmento terrestre da missão. Na faixa de atuação do Radar não existe praticamente nenhuma banda de absorção da água, o que faz do sistema muito adequado para o estudo de áreas cobertas por grande quantidade de nuvens. Uma modalidade de radar muito utilizada é o radar lateral aerotransportado, denominado SLAR (Side Looking Airbone Radar).

22 Formas de Aquisição: SAR A resolução azimutal dos radares é baixa e para compensar isto se necessitam antenas de grandes proporções. O radar de abertura sintética SAR (Synthetic ti Aperture Radar) ) é um sistema it formador de imagens que compõe os pulsos emitidos até um ponto de duas posições diferentes da trajetória, o que permite emular (sintetizar) uma antena de maior diâmetro. LIDAR OLIDAR(Ligh Detection and Ranging) é um sistema ativo primeiramente destinado ao estudo da atmosfera, que emite pulsos de luz polarizada entre o ultravioleta e o infravermelho próximo, mediante um emissor laser. O efeito produzido pela interação atmosférica é recolhido através de um sistema ótico. Existem sistemas lidar para cada tipo de dispersão atmosférica, podendo-se caracterizar a composição dos aerossóis da atmosfera e a quantidade de contaminantes sólidos, assim como, estabelecer medidas de temperatura, umidade e pressão atmosférica, além de uma estimativa da velocidade do vento. AmaisnovaaplicaçãodoLIDARéparaageraçãodemodelosdigitaisdeelevaçãodealta precisão.

23 Gravação da Imagem O processo de gravação da energia eletromagnética que compõe uma imagem se realiza mediante sistemas fotoeletrônicos que geram um sinal analógico. A imagem digital é formada mediante um sistema de conversão analógico-digital, que se caracteriza por não ser exatamente linear. Além disso, durante o processo de gravação se introduzem ruídos de procedência fotoelétrica ou térmica. O sistema gravador responderá a seguinte expressão: onde o * representa a convolução entra as funções f y h, e n(x,y) representa o ruído, o qual, ao estar somando, conferee ao sistema seu caráter não linear, por ser independente da imagem gravada. A restauração de uma imagem é o processo inverso da gravação, e portanto, se trata de um processo de deconvolução, o qual, por outro lado, é impossível a eliminação completa do ruído sem eliminar parte do sinal útil. Em consequência, na restauração de uma imagem se busca manter uma razão sinal-ruído de acordo com as exigências do trabalho.

24 Formatos de Gravação Os ND da imagem são armazenados em código binário. Para codificar 256 valores diferentes para cada píxel se necessita 1 byte. Formatos de gravação das imagens multiespectrais: t i Bandas sequenciais (BSQ): se completa cada banda píxel a píxel. Bandas intercaladas por linha (BIL): se completa cada linha de imagem saltando de uma banda a outra até completá-las todas. Bandas inte caladas po pí el (BIP) ga amos alo es de cada pí el nas dife entes Bandas intercaladas por píxel (BIP): gravam os valores de cada píxel nas diferentes bandas antes de passar ao seguinte píxel.

25 Formatos de Gravação

26 Calibração do sensor: Função de conversão O Sensor converte a radiância do terreno em um sinal (quantidade de pulsos, voltagem elétrico). Um conversor analógico-digital converte a voltagem elétrica em ND. Para conhecer o comportamento físico de uma ocupação observada é necessário encontrar a função de transformação entre a radiância e o ND. Conhecida essa função, a aplicação de sua inversa aos níveis digitais da imagem permite caracterizaracte a fisicamente a ocupação em estudo. Calibração radiométrica do sensor: Conhecer a relação entre a radiância e os ND. A relação entre o sinal de saída Q(V) earadiâncial λ (w.m -2.sr -1 ) é praticamente linear no intervalo espectral de cada banda explorada pelo sensor. onde, k = fator de proporcionalidade r λ = resposta espectral do instrumento O = constante aditiva

27 Calibração do sensor: Relações existentes sendo: Assim, Além disso, Finalmente: ND é função da radiância Radiância é função do ND.

28 Calibração do sensor:

29 Calibração do sensor Os sensores são calibrados expondo-os ao menos aos níveis conhecidos de radiância e Os sensores são calibrados expondo os ao menos aos níveis conhecidos de radiância e calculando os coeficientes G e O.

30 Formas de Calibração Antes do Lançamento: Se submete o sensor a provas de radiância em Terra antes de colocá-lo em órbita Medidas em óbit órbita: Revisa-se os parâmetros de calibração. Medidas simultâneas de radiância em órbita e na Terra em alvos conhecidos: Radiometria de campo.

31 Formas de Calibração Radiometria de Campo: Consiste na medida da radiação sobre superfícies objeto de estudos sob diferentes condições de observação. Objetivos da radiometria: 1) Estabelecer a verdade-terreno (ground-truth) para: Calibração. Validação. Interpretação. 2) Estudo da interação entre as propriedades físicas da superfície e a radiação incidente. O radiômetro é um instrumento capaz de medir a radiância em um certo intervalo espectral. Geralmente é um instrumento multiespectral. Frequentemente faz medições bidirecionais.

32 Formas de Calibração Medições Bidirecionais Mede-se a radiância refletida pela ocupação do solo em estudo segundo diferentes ângulos zenitais e diferentes direções e comparase os resultados com adistib distribuição içãoda irradiância sobre esta mesma superfície.

33 Formas de Calibração Medições Direcionais Para completar as medidas bidirecionais podemos estudar a dependência de razões como a do exemplo com a biomassa, fazendo variar o ângulo zenital do radiômetro para determinar a influência que este tem para a radiância medida considerando o mesmo ângulo de altura solar

34 Estatísticas das imagens: Banda 7 Banda 6 Banda 5 Banda 4 Banda 3 Banda 2 Banda 1 Distribuição dos valores de brilho: - Estatísticas: - Mínimo, Máximo - Média, Mediana, Moda - Desvio Padrão

35 Histograma: Histograma: Representação gráfica da distribuição de freqüências dos níveis digitais (ND), de cada banda de uma imagem. F = Nº de píxeis p r q i i+1 i+2 N.D.

36 DescriçãodoHistograma: NDmín Imagem NDmedio Imagem NDmáx Imagem HISTOGRAMA Mínimo Freqüência máxima Máximo Média Desvio Padrão Freqüência para cada ND da Imagem Viewer/File/Print Options Freqüência mínima NDmin Sensor NDmáx Sensor Muitos testes estatísticos utilizados no tratamento digital das imagens Muitos testes estatísticos utilizados no tratamento digital das imagens supõem uma distribuição normal dos níveis digitais das mesmas, o que nem sempre é certo.

37 Análise do Histograma: - Representação gráfica do número de píxeis de cada ND PRIMEIRA VALORAÇÃO: 169 Localização Tonalidade dominante Largura Contraste Picos Diferentes coberturas

38 Análise do Histograma: 5 Banda 5 4 Banda 4 TM 5, 4, 3 3 Banda 3

39 Formação da Cor Visão Humana: Luz incidente (G) Células Ganglionares (A) Células Amacrinas (B) Células Bipolares Iris Córnea Fóvea Eixo Ótico Retina Nervo Ótico (H) Células Horizontais Bastonetes Cones

40 Formação da Cor Visão Humana (Foto Receptores): BASTONETES: Mais sensíveis a luz Respondem a níveis de intensidade CONES: Respondem a altos níveis de intensidade 3 tipos de cones com diferentes respostas Teoría dos tres estímulos Log Log Sensibilidad d ad Relativa Bastones Conos Conos Bastones d Relativa Sensibilida Longitud de de Onda ((nm) (nm ) Longitud de Onda (nm)

41 Formação da Cor Coordenadas RGB: Azul Branco Verde Preto Vermelho (Pinilla, 1995) 8 bits = 2 8 = 256 ND 8 bits ND = Colores

42 Formação da Cor Representação da Cor: Vermelho Dispositivos de Visualização: 8 bits = 2 8 = 256 colores = Colores

43 Imagens Coloridas: 0 Bi Bj Bk 153 Cena (B1, B2, B3, B4,, Bn) Bi Bj Bk Imagem (R, G, B) P: ND R ND G ND B

44 Imagens Coloridas - Exemplos: R,G,B 4,3,2

45 Imagens Coloridas - Exemplos: R,G,B 4,3,2 R,G,B 2,3,4

46 Imagens Coloridas - Aplicações: 3,2,1 4,3,2 4,5,3 3,2,1.- Cor Verdadeira (Para Landsat-TM) 4,3,2.- Infravermelho Colorido Massas vegetais; Laminas de água; Zonas urbanas; Agricultura 4,5,3.- CORINE- Land Cover Interpretação visual da cartografia de ocupação do solo 5,4, ,4, ,3,1 5,4,2.- Falsa Cor Vegetação em verde; Solo exposto 7,4,3.- Cultivos irrigados; Zonas encharcadas 7,3, Aplicações oceanográficas

47 Imagens Coloridas Imagens Monobandas: B1 > B2 > B3 >