Sensoriamento Remoto (SR) Orbital (Parte I): sistemas sensores satelitais e satélites de observação terrestre

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1 Sensoriamento Remoto (SR) Orbital (Parte I): sistemas sensores satelitais e satélites de observação terrestre

2 Advanced Land Observing Satellite (ALOS) Example for city model using PRISM/DSM (high-resolution stereo mapping sensor)

3 Introdução Agenda 1: Sensoriamento Remoto Orbital Conceitos Radiométricos Sistemas Sensores Satélites Orbitais

4 Utilização de sensores para: Aula SR: Sensoriamento remoto Conceitos básicos a aquisição de informações sobre objetos ou fenômenos sobre a superfície da Terra, através s da coleta da energia radiante proveniente desse objeto, a conversão desta energia em sinal elétrico (digital) e a correspondente apresentação dessa informação (adaptado de Novo, E.M.L., 1989)

5 Definições (1) American Society of Photogrammetry (1952, 1960): Fotogrametria é a arte ou ciência de obter medidas confiáveis por meio da fotografia Interpretação fotográfica fica é o ato de examinar imagens fotográficas ficas para fins de identificar objetos e julgar sua significância American Society for Photogrammetry and Remote Sensing (ASPRS) [1983[ 1983] - Sensoriamento Remoto é a medição ou aquisição de informação de alguma propriedade de um objeto ou fenômeno, por um dispositivo de registro que não esteja em contato físico f ou íntimo com o objeto ou fenômeno em estudo

6 Definições (2) American Society for Photogrammetry and Remote Sensing (ASPRS) [1988[ 1988]: Fotogrametria e Sensoriamento Remoto são a arte, ciência e tecnologia de obter informação confiável sobre objetos físicos f e o ambiente,, por meio do processo de medição, registro e interpretação de imagens e representações digitais dos padrões de energia derivados de sistemas sensores sem contato físicof sico

7 Utilização conjunta de Definições (3) de sensores, equipamentos para processamento de dados, equipamentos de transmissão de dados Colocados a bordo de plataformas) de areonaves (ou outras Com o objetivo de estudar eventos, fenômenos e processos que ocorrem na superfície do Planeta Terra A partir do registro e da análise das interações entre a REM (Radia( Radiação EletroMagnética tica) e as substâncias que os compõem (eventos,( fenômenos e processos) em suas mais diversas manifestações (adaptado de Novo, E.M.L., 2008)

8 Aula SR: Sensoriamento remoto Conceitos básicos Aquisição de dados - componentes básicos: b Fonte de radiação eletromagnética tica Atmosfera Sensor / plataforma Alvo / superfície terrestre

9 Aula SR: Sensoriamento remoto Conceitos básicos Aquisição de dados: componentes básicos. b Sensor/plataforma Sistemas de aquisição de dados em SR incluem 2 partes: a plataforma e o sensor. A plataforma pode ser desde um tripé convencional até satélites e ônibus espaciais Serão tratados apenas os satélites orbitais. Os sensores podem ser desde câmeras convencionais ou radiômetros até escâneres multiespectrais,, espectrômetros imageadores ou radares.

10 Aquisição de dados: componentes básicos. b Alvo/superfície terrestre Aula SR: Sensoriamento remoto Conceitos básicos Assinatura Espectral: : intensidade relativa com que cada corpo reflete ou emite a REM (radiação eletromagnética) tica) nos diversos comprimentos de onda (curvas de reflectância x comprimento de onda)

11 Agenda 1: Sensoriamento Remoto Orbital Conceituação Conceitos Radiométricos Sistemas Sensores Satélites Orbitais

12 SR como Sistema de Aquisição de Informações Dois gandes subsistemas: Aquisição de Dados (detec Análise ou Produção de Informações detecção e registro) (tratamento e interpretação dos dados obtidos) Detecção energia radiante fonte alvo sistema sensor trajetória ria Registro (requisitos de resolução ão) espectral espacial radiométrica temporal

13 Aula SR: Sensoriamento remoto Conceitos básicos Aquisição de dados - componentes básicos: b Fonte de radiação eletromagnética tica Atmosfera Sensor / plataforma Alvo / superfície terrestre

14 Utilização dos diferentes comprimentos de onda do E.E. Fonte: [6]

15 O espectro eletromagnético tico Adaptado de W. J. Kaufmann, Universe

16 O espectro eletromagnético tico e a energia do Fóton F da Luz Visível Fonte: [2]

17 Aula SR: Sensoriamento remoto Aquisição de dados: componentes básicos. b Conceitos básicos Adaptado de W.J. Kaufmann, Universe

18 (B) Interações da Energia na Atmosfera (C) Interações da Energia na Superfície da Terra

19 Refração ão: refere-se ao desvio da luz quando ela passa de um meio a um outro, de densidade diferente Espalhamento atmosférico rico: : difere da refração no sentido de que a direção associada ao espalhamento é imprevisível vel Reflexão // Reflectância: Interações da Energia na Atmosfera (1) é o processo pelo qual a radiação resvala num objeto, como o topo de uma nuvem, um corpo d água ou um solo exposto está relacionada com a assinatura espectral dos alvos definida como a razão entre o fluxo incidente e o refletido por uma superfície

20 Interações da Energia na Atmosfera (2) Absorção ão: a energia radiante é convertida pela atmosfera em outras formas de energia é seletivamente absorvida através s de seus vários v constituintes: particulados, vapor d água e gases, como o ozônio (O 3 ), o dióxido de carbono (CO 2 ) e o óxido nitroso (N 2 O) O efeito cumulativo da absorção pelos vários v constituintes pode fazer com que a atmosfera se feche completamente em certas regiões do espectro Janelas Atmosféricas

21 Aula SR: Sensoriamento remoto Curva de irradiância da energia solar: Conceitos básicos

22 Absorção do E.E. do Sol incidente na região de 0,1 a 3,0 µm Fonte: [2]

23 Janelas Atmosféricas Bandas de Absorção da atmosfera Regiões do ESPECTRO ELETROMAGNÉTICO TICO (E.E.) para os quais a atmosfera é opaca, não permitindo a passagem da RADIAÇÃO ELETROMAGNÉTICA TICA (REM) Janelas atmosféricas Regiões do E.E. onde a atmosfera é transparente à radiação proveniente do Sol

24 Air Force Cambridge Research Lab. Janelas atmosféricas

25 Janela principal: o espectro visível vel Infravermelho Ultravioleta Comprimento de Onda (nm) Adaptado de CHP 1995

26 Respostas do sistema visual humano à energia refletida no espectro visível vel

27 (B) Interações da Energia na Atmosfera (C) Interações da Energia na Superfície da Terra

28 Aquisição de dados: componentes básicos. b Alvo/superfície terrestre Aula de Sensoriamento Remoto: Conceitos BásicosB Assinatura Espectral: : intensidade relativa com que cada corpo reflete ou emite a REM (radiação eletromagnética) tica) nos diversos comprimentos de onda (curvas de reflectância x comprimento de onda)

29 Interações da Energia na Superfície da Terra Certos comprimentos de onda da radiação são mais afetados pela absorção do que pelo espalhamento Isso é particularmente verdade para o Infravermelho e para os comprimentos de onda menores que a luz visível vel Muito minerais têm características únicas de absorção em porções muito específicas do E.E., que nos permitem usar o SR para identificá-los A clorofila na vegetação absorve muito da luz azul e vermelha incidente, para fins de fotossíntese

30 Reflectância da Vegetação (1) Reflexão da folha e da copa

31 Reflectância da Vegetação (2) Vegetação no Visível Vegetação no Infravermelho

32 Interação entre a REM e a matéria Comprimento da onda Radiação eletromagnética tica energia Matéria

33 A energia na superfície terrestre Refletida Espalhada Absorvida Transmitida

34 Reflectância da Vegetação (3) A radiação que não é absorvida ou espalhada pela atmosfera pode atingir alvos e interagir com objetos na superfície. R + A + T = I Interações com objetos: I = Incidente A = Absorção T = Transmissão R = Reflexão

35 Fluxo Radiante / Irradiância O fluxo radiante é definido como a taxa de transferência de energia radiante por unidade de tempo A irradiância é entendida como o fluxo radiante incidente por unidade de área, numa dada direção, com relação à normal

36 Intensidade Radiante O fluxo irradiado de uma fonte pontual, por unidade de ângulo sólido, numa dada direção, define a intensidade radiante,, cuja unidade é Watt/sterradiano

37 Radiância (1) Reflexão Difusa Reflexão Especular

38 Radiância (2) Nas superfícies polidas, os efeitos de reflexão e transmissão de radiação processam-se se segundo ângulos bem definidos Já para as superfícies porosas estes efeitos ocorrem com diferentes intensidades, direções e pontos da superfície Na determinação das propriedades radiométricas da superfície é necessário utilizar uma grandeza que defina a intensidade radiante em cada ponto Desta necessidade surge o conceito de radiância, ou seja, é a intensidade radiante proveniente de uma fonte extensa, em uma dada direção por unidade de área perpendicular a esta direção

39 Radiância (3)

40 Reflectância Uma grandeza importante que está relacionada com a assinatura espectral dos alvos é a reflectância,, definida como a razão entre o fluxo incidente e o refletido por uma superfície As fontes de radiação eletromagnética tica irradiam com diferentes intensidades dentro do espectro As grandezas definidas anteriormente podem ser consideradas em pequenos intervalos de comprimento de onda, constituindo-se se as chamadas grandezas radiométricas espectrais

41 REM - Superfície Processo muito importante == REFLEXÃO: especular (superfície lisa) difusa (superfície rugosa) Depende: rugosidade do terreno λ ângulo de incidência da radiação

42 Fatores determinantes A) Campo de radiação incidente ângulo de incidência da radiação comprimento de onda da radiação B) Natureza e composição da superfície C) Interface (Ex: rugosidade - comprimento de onda)

43 Fatores que interferem nas medidas do comportamento espectral dos alvos A) Método M de aquisição dos dados B) Geometria da aquisição dos dados C) Parâmetros atmosféricos D) Parâmetros relativos ao alvo

44 Método de aquisição de dados Influência significativa na reflectância do alvo interferência de fatores ambientais objetos adjacentes atmosféricos níveis: aeronave e orbital

45 Parâmetros atmosféricos

46 Geometria da aquisição de dados VARIÁVEL θ Z θ v ângulo azimutal do sol e do sensor altitude do sensor EFEITO SOBRE AS MEDIDAS DE REFLECTÂNCIA aumento de θ Z - diminuição da porcentagem de energia refletida pela superfície. aumento de θ v - redução do contraste entre os alvos. altera a distribuição de energia na superfície do alvo no caso de culturas plantadas em linha e de falhamentos geológicos. aumento de H - aumento da interferência da radiância da atmosfera na medida da reflectância do alvo.

47 Introdução Agenda 1: Sensoriamento Remoto Orbital Conceitos Radiométricos Sistemas Sensores Satélites Orbitais

48 Sistemas Sensores (1) Dispositivos capazes de detectar a REM em determinada faixa do EE Gerar informações passíveis de interpretação Permitem associar a distribuição da radiância (ou emitância) com as propriedades: : físicas, f químicas, biol geométricas dos objetos Formato dos produtos Imagens Gráfica (tabela) micas, biológicas ou

49 No processo de conversão e registro dessa energia, ocorre um conjunto de transformações (características intrínsecas): nsecas): Radiométricas Indicam a capacidade do sensor de discriminar objetos na cena, em função das diferenças de energia que refletem ou emitem Geométricas Vão definir a qualidade geométrica da imagem adquirida, em termos de posição e forma do terreno Espectrais Sistemas Sensores (2) Indicam a região do E.E.. em que o sensor opera e com que rigor e detalhe ele recupera as propriedades espectrais dos objetos detectados

50 Agenda 2: Sistemas Sensores Podem ser classificados quanto a: Fonte de radiação (energia) Princípio de funcionamento Tipo de produto

51 Sistemas Sensores Com relação à fonte de energia eletromagnética, tica, os sistemas sensores podem ser: passivos: radiação solar ativos: radar, laser A escolha depende de: interesse da pesquisa precisão requerida custos envolvidos

52 Sistemas Sensores Classificação quanto a fonte de radiação (energia) Sensores Passivos Detectam a radiação solar refletida ou a emitida pelos objetos da superfície Sensores óticos: possuem espelhos, prismas e lentes em sua configuração Ex. Fotografia, LANDSAT, SPOT

53 Sistemas Sensores e Regiões do E.E. (1) Região de ENERGIA REFLETIDA Entre 0,38 µm m e 3,00 µm Porque a energia que os sensores detectam nessa região é basicamente originada da reflexão da energia solar Região VISÍVEL VEL O máximo m de energia disponível encontra-se na faixa de 0,38 µm m a 0,72 µm O sol emite cerca de 44% de sua radiação nesta janela

54 Sistemas Sensores e Regiões do E.E. (2) Região de INFRAVERMELHO (IR) Próximo Entre 0,72 µm m e 1,3 µm Região IR Médio M e Distante Ondas Curtas: entre 1,3 µm m e 3,0 µm Distante: sensores termais operam entre 7 µm m e 15 µm

55 Energia contida nos diversos comprimentos de onda do E.E.

56 Agenda 2: Sistemas Sensores Podem ser classificados quanto a: Fonte de radiação (energia) Sensores Ativos Princípio de funcionamento Tipo de produto

57 Sistemas Sensores Classificação quanto a fonte de radiação (energia) Sensores Ativos Produzem a sua própria pria radiação Ex. LADAR (Laser Detection and Ranging), LASER (Light Amplification by Stimulated Emission od Radiation)

58 Agenda 2: Sistemas Sensores Podem ser classificados quanto a: Fonte de radiação (energia) Princípio de funcionamento Tipo de produto

59 Sistemas Sensores Classificação quanto ao princípio pio de funcionamento Sistemas de Varredura (scanning systems) Sistemas de Não-varredura ou sistema fotográfico fico (non( scanning) ) / (framing( systems)

60 Sistemas Sensores Classificação quanto ao princípio pio de funcionamento Sistemas de Varredura (scanning( systems) A A imagem da cena é formada pela aquisição seqüencial encial de imagens elementares do terreno ou elementos de resolução ão (pixels) Ex: LANDSAT (TM MSS), SPOT (HRV)

61 Sistemas Sensores Sistemas de Varredura Exemplo do sensor MSS (Sistema de Varredura Multiespectral) ) da plataforma LANDSAT (Satélite de Superfície Terrestre)

62 Sistemas Sensores Sistemas de Varredura Exemplo do SPOT (Sistema Experimental de Observação da Terra) 2 sensores HRV 1 (Sensor de Alta Resolução no Visível) e HRV 2 independentes Faixa de varredura: 60 km X 2 = 120 km

63 Sistemas Sensores Classificação quanto ao princípio pio de funcionamento Sistemas de Não-varredura (non scanning) ) ou Sistema fotográfico fico (framing( systems) Registram a REM refletida de uma área em sua totalidade e num mesmo instante

64 Agenda 2: Sistemas Sensores Podem ser classificados quanto a: Fonte de radiação (energia) Princípio de funcionamento Tipo de produto

65 Sistemas Sensores Classificação quanto ao tipo de produto Imageadores Produto = imagem bidimensional da radiância ou emitância do terreno Apto a produzir informações espaciais Não-imageadores Produto = dados ou gráficos Permitem medir a intensidade da energia proveniente de um objeto de estudo, sem produzir uma imagem do terreno Ex. Sondas Atmosféricas (perfis verticais de sua composição)

66 Aula SR: Sensoriamento remoto Conceitos básicos Aquisição de dados: componentes básicos. b Sensor/plataforma Sistemas de aquisição de dados em SR incluem 2 partes: a plataforma e o sensor. A plataforma pode ser desde um tripé convencional até satélites e ônibus espaciais Trataremos apenas dos satélites orbitais. Os sensores podem ser desde câmeras convencionais ou radiômetros até escâneres multiespectrais, espectrômetros imageadores ou radares.

67 Classificação de sistemas sensores (exemplos) Fonte de Radiação Princípio de Funcionamento Tipo de Produto Sistemas Sensores PASSIVOS Varredura Forma imagem Câmera de TV Scanner Sólido S (CCD) Elétro-óptico-mecânico *(LANDSAT) Radiômetro de Microondas Não-Varredura Varredura- Não forma imagem Radiômetro de Microondas Sensor Magnético Espectrorradiômetro Thermopoint Sensor quântico

68 Classificação de sistemas sensores (exemplos) Fonte de Radiação Princípio de Funcionamento Tipo de Produto PASSIVOS (cont.) Sistemas Sensores Não-Varredura - Forma imagem Câmeras Fotográficas Monocromáticas Colorida Normal Infravermelha Infravermelha colorida

69 Classificação de sistemas sensores (exemplos) Fonte de Radiação Princípio de funcionamento Tipo de Produto ATIVOS Varredura Radar de Abertura Real (RAR) Radar de Abertura Sintética tica (SAR) Não-Varredura Sistemas Sensores Altímetro de Microondas Laser Medidor de DistânciD istância Radiôme diômetro de Microonda

70 Introdução Agenda 1: Sensoriamento Remoto Orbital Conceitos Radiométricos Sistemas Sensores Sensores Multiespectrais Satélites Orbitais

71 Sensores Multiespectrais (1) Os primeiros sensores fotográficos ficos eram pancromáticos Toda a energia proveniente do alvo era integrada em todos os comprimentos de onda de sensibilidade do filme Eram perdidas informações específicas sobre as interações de um objeto com um determinado comprimento de onda

72 Sensores Multiespectrais (2) Os primeiros avanços na concepção dos sensores foi permitir que eles pudessem registrar o sinal proveniente de regiões distintas do E.E. simultaneamente Obter imagens simultâneas de uma mesma cena Em várias v regiões do E.E. Origem dos Sensores Multiespectrais

73 Sensores Multiespectrais (3)

74 Sensores Multiespectrais (4)

75 Sensores Multiespectrais (5) Os Sensores Multiespectrais hoje disponíveis representam avanços em relação ao primeiro sensor MSS (Sistema de Varredura Multiespectral) desenvolvido e testado pela Hugues Santa Barbara Research Center em 1970 A maior parte dos programas espaciais em operação e planejados tem como sensor básico os sistemas de imageamento multiespectral, com bandas: Visível VIS IR Próximo NIR IR de Ondas Curtas MWIR IR Termal - TIR

76 Introdução Agenda 1: Sensoriamento Remoto Orbital Conceitos Radiométricos Sistemas Sensores Sensores Multiespectrais Satélites Orbitais Satélites de observação terrestre

77 Satélites Orbitais (1) Satélites de imageamento Construídos com determinada finalidade Classificados como: Satélites de observação da superfície terrestre Recursos Naturais Satélites Ambientais Meteorológicos Oceanográficos

78 Satélites Orbitais (2) Três partes básicas: b subsistema coletor (ex.: óptico) detector ou sensor subsistema eletrônico (processador) Subsistema coletor (ex.: óptico): determina a resolução espacial e área coletora da radiação Sensores: imageadores (fotográficos ficos e não fotográficos) ficos) não imageadores Subsistema eletrônico: amplia o sinal da fonte

79 Componentes do sistema (1) Coletor: recebe a energia p/ uma lente, espelho, antena etc

80 Componentes do sistema (2) Detector: capta a energia coletada de uma determinada faixa do espectro.

81 Componentes do sistema (3) Processador: o sinal registrado é submetido a um processamento para obtenção do produto

82 Satélites de S.R.

83 Resumo (1) Fonte: [2]

84 Resumo (2) Fonte: [2]

85 Bibliografia (1) [1] MORAES NOVO, Evlyn L.M. Sensoriamento Remoto: Princípios e Aplicações ões.. 3ª 3 Edição. São Paulo: Blucher,, [2] JENSEN, John R. Sensoriamento Remoto do Ambiente Uma Perspectiva em Recursos Terrestres.. 2ª 2 Edição. São José dos Campos: Parêntese, [3] DALMOLIN, Quintino; SANTOS, Daniel R. Sistema Laserscanner: : Conceitos e Princípios de Funcionamento. 3ª Edição. Curitiba: UFPR, 2004.

86 Bibliografia (2) [4] LIU, William T.H. Aplicações de Sensoriamento Remoto.. Campo Grande: UNIDERP, [5] MENESES, Paulo R; MADEIRA NETTO, José S. Sensoriamento Remoto: Reflectância dos Alvos Naturais. Brasília: UnB, [6] Cadernos Didáticos do INPE sobre SIG, SR e GPS

87 Bibliografia (3): Sítios S da Internet EMBRAPA / INPE LANDSAT SPOT

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