SISTEMAS E SENSORES I

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1 SISTEMAS E SENSORES I Sistema Sensor em Sensoriamento Remoto: equipamento capaz de transformar energia eletromagnética em sinal. 1. Tipos de sensores, quanto à fonte de energia: ATIVOS: - produzem sua própria radiação. Ex.: radar PASSIVOS: - detectam a energia solar refletida ou energia emitida pelos alvos da superfície terrestre. Ex: sistemas fotográficos

2 SISTEMAS E SENSORES II 2. Tipos de sensores, quanto ao tipo de transformação sofrida pela radiação detectada a) Sensores não imageadores: não fornecem imagem da superfície observada (Radiômetro de banda e Espectrorradiômetro). Radiômetro de banda : fornece informação sobre a resposta do alvo em largas faixas do espectro eletromagnético. Espectrorradiômetros : operam em faixas espectrais estreitas. Mede a resposta do alvo de maneira aproximadamente contínua ao longo do espectro b) Sensores imageadores: fornecem uma imagem da superfície observada. Ex: sistemas fotográficos

3 SISTEMAS E SENSORES III 3. Tipos de sensores, quanto ao processo de formação da imagem a) Sistemas de quadro: adquirem a imagem de toda a cena ao mesmo tempo. b) Sistemas de varredura: a imagem é adquirida pela aquisição seqüencial dos elementos do terreno ou pixels

4 RESOLUÇÃO DE IMAGENS ESPACIAL: menor separação espacial entre os objetos. ESPECTRAL: número de bandas de sensores e largura das faixas espectrais de cada banda. RADIOELÉTRICA: número de níveis de cinza usados pelo sensor. TEMPORAL: intervalo de tempo entre duas passagens sucessivas do satélite. Ex.: TM-Landsat 5 Resolução espacial = 30m Resolução espectral = 7 bandas Resolução radiométrica = 256 níveis de cinza Resolução temporal = 16 dias

5 CAMPO DE VISADA INSTANTÂNEA IFOV (Instantaneous Field Of View): Taxa de amostragem que define a resolução do sistema sensor. Este campo é definido pelas características geométricas do sensor. FOV (Field Of View): campo de visada da imagem como um todo. É função da altura de imageamento. FOV EXEMPLOS: MSS: IFOV = 80m TM: IFOV = 30m IFOV

6 TAMANHO DO PIXEL EM IMAGENS

7 SATÉLITE SISTEMA DE AQUISIÇÃO DE IMAGENS COMANDOS DE RASTREAMENTO DADOS RBV / MSS (LANDSAT 1, 2, 3) MSS / TM (LANDSAT 4, 5, 7) AÇÃO DE RASTREAMENTO, RECEPÇÃO E GRAVAÇÃO DE DADOS DA SÉRIE LANDSAT DADOS DO SISTEMA DE COLETA DE DADOS DADOS DE RASTREAMENTO, TELEMETRIA DE CONTROLE, DADOS DE VÍDEO FITAS DE ALTA DENSIDADE (MDDT) ENVIADAS POR VIA AÉREA ESTAÇÃO DE PROCESSAMENTO E DISTRIBUIÇÃO DE DADOS LANDSAT PROCESSAMENTO ELETRÔNICO PROCESSAMENTO FOTOGÁFICO ARQUIVO DE DISTRIBUIÇÃO CUIABÁ CACHOEIRA PAULISTA

8 ÓRBITAS DOS SATÉLITES objetivo da missão capacidade do sensor órbitas geosíncronas/ geoestacionárias Satélites de comunicação e meteorológicos observação constante da mesma porção da Terra taxa angular que coincide com a rotação da Terra variação completa do ângulo e intensidade solar

9 ÓRBITAS SINCRONIZADAS COM O SOL Satélites de observação da Terra relação angular constante com a direção dos feixes solares diferentes latitude/estações do ano => diferente ângulo solar mesma latitude, hora solar constante => mesma iluminação

10 SISTEMA LANDSAT: CARACTERÍSTICAS GERAIS I LANDSAT (Land Satellite) O programa Landsat, com a assinatura da NASA, é um dos mais antigos que ainda se encontra em atividade e desenvolvimento. O primeiro satélite foi lançado em 23 de julho 1972, com o nome de Earth Resources Technology Satellite -ERTS-1 depois renomeado para LANDSAT e o mais recente, Landsat 7, em 5 de Abril de A informação produzida têm tido muitas aplicações, destacando-se: Agricultura, geologia, floresta, planeamento regional, educação e segurança nacional.

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12 SISTEMA LANDSAT: CARACTERÍSTICAS GERAIS II LANDSAT 1, 2 e 3 - Sistema multispectral (Multispectral System Scanner - MSS) Altitude : 920 km Horário de passagem pelo equador: 9:15 Duração do ciclo de cobertura: 18 dias Cena: 185km x 185km Número de tons de cinza (Digital Numbers-DN)=256 (2 8 ) BANDAS (Landsat 1 e 2) µm a 0.6 µm µm a 0.7 µm µm a 0.8 µm µm a 1.1 µm No Landsat 3 foi adicionada a banda ,4 a12,6 µm Resolução espacial: Landsat 1 e 2 (79m) e Landsat3 (40m) Cada cena possui pixels

13 SÉRIE LANDSAT LANDSAT -1, , RBV & MSS sensor, 18dias/900 km LANDSAT -2, , RBV & MSS sensor, 18dias/900 km LANDSAT -3, , RBV & MSS sensor, 18dias/900 km LANDSAT -4, , MSS & TM sensor, 16dias/705 km LANDSAT -5, , MSS & TM sensor, 16dias/705 km LANDSAT -6, falhou depois de descolar LANDSAT -7, , ETM sensor, 16dias/705 km

14 SISTEMA LANDSAT: PRIMEIRAS IMAGENS Primeiras imagens multi-espectrais adquiridas do espaço aconteceu em 1968 na missão Apollo 9 Banda 4 Banda 5 Banda 7 Composição colorida banda 4 (red), banda 5 (green) e banda 7 (blue). Sul da Califórnoa, USA

15 SISTEMA LANDSAT (TM-5) Altitude : 705 km Horário de passagem pelo equador: 9:45 Duração do ciclo de cobertura: 16 dias Cena: 185km x 185km BANDAS µm a 0.52 µm µm a 0.60 µm µm a 0.69 µm µm a 0.90 µm µm a 1.75 µm µm a 12.5 µm µm a 2.35 µm Número de tons de cinza (Digital Numbers-DN)=256 (2 8 ) Resolução espacial: bandas 1, 2, 3, 4, 5 e 7 (30m) banda 6 (120m)

16 SISTEMA LANDSAT (TM-7) Altitude : 705 km Horário de passagem pelo equador: 9:45 Duração do ciclo de cobertura: 16 dias Cena: 185km x 185km BANDAS µm a µm (azul-verde) µm a µm (verde) µm a µm (vermelho) µm a µm (IR próximo) µm a µm (IR médio) µm a µm (Termal) µm a µm (IR médio) PANCROMÁTICA µm a µm Número de tons de cinza (Digital Numbers-DN)=256 (2 8 ) Resolução espacial: bandas 1, 2, 3, 4, 5 e 7 (30m) banda 6 (60m) e pancromática (15m)

17 SISTEMA LANDSAT PRINCIPAIS APLICAÇÕES DAS BANDAS DO TM-5 Banda 1: Banda 2: Banda 3: Banda 4: Banda 5: Banda 6: Banda 7: Mapeamento de águas costeiras; Diferenciação entre solo e vegetação; Diferenciação entre vegetação coníferas e decídua. Reflectância de vegetação verde sadia; Absorção da clorofila; Diferenciação de espécies vegetais Levantamento de biomassa; Delineamento de corpos d água Medida de umidade da vegetação; Diferenciação entre nuvens e neve Mapeamento de estresse térmico em plantas outros mapeamento térmicos Mapeamento hidrotermal

18 SATÉLITES DE OBSERVAÇÃO MARINHA Os oceanos desempenham um papel importante na regulação climática, cobrindo cerca de dois terços da superfície terrestre. Nimbus-7 Com um período operacional entre 1978 e 1986, o Nimbus-7 tinha a bordo o primeiro sensor desenvolvido especialmente para observação dos oceanos (CZCS- Coastal Zone Colour Scanner). Banda Comprimento de onda (mm) Parâmetro da medida primária Absorção da clorofila Absorção da clorofila Gelbstoffe (substância amarela) Concentração da clorofila Vegetação Temp. da superficie Um dos objetivos principais deste sensor era monitorar a cor e temperatura oceânica, particularmente de zonas costeiras. Desta forma seria possível detectar manchas de poluição e partículas em suspensão. Com seis bandas espectrais este sensor tem a capacidade de diferenciar diferentes concentrações de fitoplâncton.

19 SPOT (Satellite Probatoire d Observation de la Terre) Desde o lançamento do primeiro satélite em 1986 pela Agencia Espacial Francesa que o programa SPOT pretende dar resposta ao mundo dos Sistemas de Informação Geográfica e Sensoriamento Remoto. Com o último satélite lançado em 1998, as principais aplicações são: Agricultura, cartografia, proteção do ambiente, planejamento urbano, telecomunicações, catástrofes naturais e planejamento dos recursos renováveis.

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21 ERS (European Remote Sensing Satellite) Desenvolvido pela Agencia Espacial Européia (ESA) o programa ERS tem como missão: Melhorar a compreensão das interações entre os oceanos e atmosfera; Estudar a circulação oceânica e os mecanismos de transferência de energia; Calcular balanços de massa do gelo Antártico e Ártico; Monitorização da dinâmica dos processos costeiros; Monitorização da poluição atmosférica e oceânica; Gestão do uso do solo.

22 TRMM (Tropical Rain Measuring Mission) TRRM é um projeto de colaboração entre o Japão e os Estados Unidos que começou em O objetivo é estudar as interações entre os oceanos e atmosfera bem como as suas conseqüências no clima. A informação processada contribui para modelar chuvas tropicais e a sua influencia na circulação global, melhorando as previsões. O sensor de radar instalado a bordo dos satélites MOS-1 e JERS-1, permitem medir a distribuição vertical da precipitação ao longo dos trópicos.

23 EOS (Earth Observing System) Em 1991, a NASA começou um programa de estudo da Terra como um sistema ambiental integrado, criando a Earth Science Enterprise. Os primeiros satélites EOS, com o nome de Terra (AM-1) e Landsat 7, foram lançados em O objetivo geral é compreender como se integram os diversos processos naturais, avaliando como é que o ambiente nos afeta e como podemos afetar o ambiente. Assim, são alvo de estudo as nuvens, balanços energéticos da água, superfície terrestre, processos dos ecossistemas aquáticos, calotas polares e uso do solo.

24 IRS: A série de satélites IRS (Indian Remote Sensing) combina as características do Landsat MSS/TM e do sensor HRV do SPOT. A terceira geração desta série de satélites, IRS-1C, foi lançada em 1995 com três sensores: Pancromático de alta resolução (PAN); Multiespectral de quatro canais de resolução média (LISS-III); Multiespectralde dois canais de baixa resolução (WIFS- Wide Field Sensor). A informação de alta resolução (PAN) é normalmente usada em planejamento urbano. Os resultados do sensor LISS-III são óptimos para classificação da vegetação e dos recursos naturais. O sensor WIFS para a monitorização regional da vegetação.

25 IKONOS Lançado em Setembro de 1999 o satélite IKONOS-2 foi o primeiro satélite de alta resolução a competir com ortofotomapas. As imagens IKONOS são utilizadas em: Planejamento agrícola; Planejamento urbano; Programas de Floresta; Caracterização de linhas de água, etc

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27 QuickBird Lançado em Outubro de 2001 o QuickBird destaca-se por ser o satélite de maior resolução disponível no mercado. Tem como objetivo competir com a fotografia aérea tendo as seguintes áreas de aplicação: Mapeamento; Classificação do uso do solo; Planejamento urbano e florestal, etc...

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29 SATÉLITES DE OBSERVAÇÃO MARINHA MOS Lançado pelo Japão em 1987 o MOS-1 (Marine Observation Satellite) Contém três sensores diferentes: Multiespectral de quatro canais (Multispectral Electronic Self-Scanning Radiometer -MESSR); Sensor Comprimento de onda (mm) Resolução espacial MESSR m m m m VTIR m m m m Multiespectral cobrindo o espectro do visível (Thermal Infrared Radiometer - VTIR) e infravermelho térmico; Dois canais de micro-ondas (Microwave Scanning Radiometer - MSR)

30 SeaWiFS O SeaWiFS (Sea-viewing Wide-Field-of View Sensor) a bordo do satélite SeaStar, é um sensor que cobre o espectro desde os até mm. Banda Comprimento de onda (mm) As suas principais funções são a monitorização da produtividade primária e atividade fitoplanctónica, a influencia dos oceanos nos processos climáticos, e a monitorização do ciclo do carbono, enxofre e nitrogênio.

31 SISTEMA DE MICRO-ONDAS - RADARES I Radar = Radio Detectivy and Ranging (detectar e medir através de ondas de rádio) O radar emite sua própria fonte de energia, na faixa de micro-ondas e independe da luz solar. O radar fornece informações sobre a superfície, referentes à: rugosidade da superfície topografia condições de umidade vegetação

32 RADAR sistema de detecção remota activo (Fornece a sua própria fonte de energia) Ilumina o terreno com energia eletromagnética Detecta a energia de retorno do terreno Registra a energia de retorno como uma imagem

33 Espectro eletromagnético Espectro eletromagnético (µm) comprimento de onda (µm) Ultravioleta visível Infra-vermelho próximo (1 mm) (1 m) Ondas TV e rádio micro-ondas IV-térmico IV-médio IV-próximo visivel raios X raios γ ultravioleta-uv raios cósmicos

34 SISTEMA DE MICRO-ONDAS - RADARES II A natureza dos fenômenos registrados pelo imageamento por sistemas SAR (Synthetic Aperture Radar) é, fundamentalmente, diferente daquela do VISÍVEL(VIS) e INFRAVERMELHO (IR). Enquanto o Sensoriamento Remoto no VIS e IR mede propriedades químicas dos materiais superficiais, na região das microondas as propriedades de interesse são as físicas (rugosidade e geometria das superfícies) e as elétricas (condutividade, que por sua vez dependa da porosidade e do conteúdo em água). Imagens no VIS/IR e SAR são complementares em termos do tipo de informação que fornecem e, sempre que possível, devem ser utilizadas em conjunto.

35 SISTEMA DE MICRO-ONDAS - RADARES III Algumas das técnicas utilizadas para o processamento de imagens SAR são as mesmas das utilizadas para imagens do espectro óptico; outras foram especificamente desenvolvidas e levam em conta as características próprias das imagens SAR. Imagens SAR são predominantemente monoespectrais, pois são geralmente adquiridas em uma única freqüência; existem porém sistemas SAR experimentais que geram imagens em múltiplas freqüências ou bandas (por ex., o SIR-C/X-SAR).

36 SISTEMA DE MICRO-ONDAS - RADARES IV Programas de sistemas RADAR RADAMBRASIL: 1971 a 1986 SEASAR (EUA) banda L (15cm a 30cm) SIR-A (Shuttle Imaging Radar - EUA) - banda L SIR-B (EUA) banda L SIR-C (EUA) bandas C e L (C = 3.8cm a 7.5cm) ERS-1 e ERS-2 (Europa) banda L JERS-1 e JERS-2 (Japão) (JERS 1) - banda L ALMAZ (Rússia) - banda S (7.5cm a 15cm) RADARSAT (Canadá) banda L

37 Fonte externa de iluminação Capta a radiância emitida Emite e recebe pulso Sensor Ativo

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39 CAPACIDADE PARA REFLETIR A SUPERFÍCIE DO TERRENO O deserto da América do Sul- Bolivia. O Altiplano é um deserto de montanha (claro) Brilho: VEGETAÇÃO Bacia Amazonica: A bacia são pradarias planas (escuro) Para a L Band (λ=23.5 cm), a superfície desértica é um bom refletor, enquanto os vales baixos respondem diferentemente como uma superfície alisada.

40 SATÉLITES DE OBSERVAÇÃO DA TERRA ENERGIA SOLAR: Fonte contínua; sinais paralelos sobre a superfície RADAR: ENERGIA MICROONDAS Fonte descontínua (intermitente); sinais gerados a partir de um ponto que se espalha num feixe angular sobre a superfície

41 COMPONENTES DE UM SISTEMA DE RADAR Pulse generating device: gera o sinal de microondas a intervalos de tempo síncronos. O pulsar temporizado tem 2 objetivos: controlar a saída de energia do transmissor sincronizar o registro do retorno sucessivo do sinal à antena Energia eletromagnética do transmissor: comprimento de onda e duração específica (pulse length) Tipicamente: 1,500 pulses per second.

42 Duplexer: previne interferências entre o sinal transmitido e recebido. Bloqueia o circuito de recepção durante a transmissão Bloqueia o circuito de transmissão durante a recepção Antena: é um refletor que transmite o sinal microonda e recebe a energia de retorno do terreno. Receiver: amplifica o sinal eletromagnético captado pela antena, preservando as suas variações de intensidade. Registra o tempo de retorno do sinal, que determina a posição dos elementos no terreno. O sinal de retorno é registrado, em meio digital: imagens

43 TECNOLOGIA SLAR Side Looking Airborne Radar As antenas do radar no avião estão colocadas na parte de baixo da plataforma => o feixe é orientado numa direção oblíqua à direção do vôo. Sistema SLAR produz faixas contínuas de imagens Foi desenvolvido nos anos 50 para reconhecimento de alvos militares. Desde finais de 60s é usado para fins civis primeiro reconhecimento da província Darean, Panamá, km 2 (cobertura contínua de nuvens)

44 IMAGEM Retorno da árvore Comprimento do sinal Retorno da casa

45 Distância entre o sinal transmitido e o recebido pela reflectância dos objetos faixa de visão (slant range) SR = ct 2 topografia SR Faixa de visão C velocidade da luz (3*10 8 m/sec) T tempo entre a transmissão do sinal e a recepção do eco

46 Resolução espacial dos sistemas SLAR: resolução num ponto do terreno θ d cτ R r = 2 cos θ d τ - duração do sinal R r Resolução no terreno Resolução da faixa de visão θ d Escala é determinada pela velocidade do sinal

47 Resolução espacial dos sistemas SLAR: resolução azimutal Escala é determinada pela velocidade do avião R a = GR * β R a6km = 10.8 m R a12km = 21.6 m GR1 β GR2

48 CARACTERÍSTICAS GEOMÉTRICAS DAS IMAGENS RADAR Distorção da escala Equalizar e manter as escalas independentes (slant e azimutal) => controle rigoroso dos parâmetros de vôo Deslocação do declive Pontos mais elevados chegam ao radar mais cedo que pontos na base e são registados na imagem mais cedo => efeito layover Valor acrescentado para o registro de topografia Paralaxe Imagens estéreo obtidas na mesma direção mas a diferentes altitudes inforgrametria

49 CARACTERÍSTICAS ESPECTRAIS DAS IMAGENS RADAR Rugosidade da superfície Relevo topográfico Indica a intensidade de retorno do sinal (reflectância) Superfície alisada: reflete toda a energia radar incidente c/ ângulo de reflexão igual ao de incidência Superfície rugosa: espalha a energia incidente em todas as direções Superfície intermediaria: reflete uma parte e difunde outra parte.

50 OBJETIVO DO PROCESSAMENTO DIGITAL DAS IMAGENS RADAR: Correlacionar assinaturas de radar (medido como backscatter coefficient) com materiais de diferentes graus de superfície de rugosidade

51 EXEMPLO DE IMAGENS DO RADARSAT - 26m (15/02/1996) Mancha de óleo produzida pelo navio-tanque "Sea Express", após um encalhe sofrido ao sul do País de Gales. Sete dias após o acidente, a imagem mostra a mancha de óleo remanescente. No acidente, entre e ton de óleo foram despejados. A mancha aparece em tom escuro em A. A foz do rio Tywi pode ser vista em B e a Baía de Carmarthen em C. Uma região com menos concentração de óleo é vista em D.

52 CRATERA DE IMPACTO AOROUNGA DESERTO DO SAARA, CHAD 17 km

53 Região Amazonica

54 EXEMPLO DE IMAGENS DO RADARSAT - 27m (25/03/1996) A cheia do Red River,, em Manitoba,, Canadá. A mancha escura apresentada em A evidencia a região alagada, que contrasta com as áreas secas ao redor, vistas em tons mais claros em C. Quando a água encontra-se sob as árvores ou arbustos, cria-se uma situação onde o feixe radar é fortemente refletido, como visto em B e D. A cidade de Morris é identificada como um retângulo claro em E.

55 EXEMPLO DE IMAGENS DO RADARSAT - 27m (25/03/1996) As núvens não impedem a coleta de dados. Percebem-se diversos tipos de culturas agrícolas.

56 SENSOR ÓPTICO X RADAR Operação diurna Dependência das condições climáticas Ruído Aditivo Operação diurna ou noturna Independência das condições climáticas Ruído Multiplicativo

57 O CONCEITO DO AVIRIS

58 Early Bird Pan - 3 meter Early Bird XS - 15 meter Quick Bird Pan meter Quick Bird XS meter Early Bird

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60 Denver, Colorado CARTERRA High-Resolution IKONOS -1 ( 1 & 4 meters ) Rochester, New York San Francisco, California

61 PANCROMÁTICA MULTIESPECTRAL HIPERESPECTRAL ULTRAESPECTRAL UMA BANDAS DEZENAS CENTENAS PANCROMÁTICA MULTIESPECTRAL HIPERESPECTRAL 0.4µm 0.4µm 400nm MILHARES µm 2.5µm 2500nm ULTRAESPECTRAL 400nm nm Comparação de Tecnologias Espectrais