Sensoriamento Remoto I Engenharia Cartográfica. Prof. Enner Alcântara Departamento de Cartografia Universidade Estadual Paulista Presidente Prudente

Transcrição

1 Sensoriamento Remoto I Engenharia Cartográfica Prof. Enner Alcântara Departamento de Cartografia Universidade Estadual Paulista Presidente Prudente 2016

2 Interações da Energia Eletromagnética A Energia gravada pelo sistema sensor sofre interações fundamentais, que devem ser entendidas para a interpretação adequada dos dados de sensoriamento remoto. Por exemplo, se a energia a ser registrada vem do Sol, a energia: é irradiada por partículas atômicas na fonte (Sol), propaga através do vácuo a velocidade da luz, interage com a atmosfera Terrestre, interage com a superfície da Terra, interage com a atmosfera novamente, e finalmente atinge o sensor remoto onde a energia interage com vários sistemas ópticos, filtros, emulsões ou detetores.

3 Como a energia é transferida? Transferência de energia convecção condução Pulso de ar quente Terreno radiação Sol Terra Ondas eletromagnéticas Jensen (2005) A energia pode ser transferida por: condução, convecção, e radiação. a) Energia pode ser conduzida diretamente de um objeto para outro quando em temperatura diferente. b) O Sol banha a superfície da Terra com energia radiante causando um aumento de temperatura no ar vizinho. O ar menos denso sobe, criando correntes convectivas na atmosfera. c) Energia eletromagnética na forma de ondas eletromagnéticas pode ser transmitida através do vácuo, do Sol para a Terra.

4 Modelos de radiação eletromagnética Para entender como a energia eletromagnética é criada, como se propaga no espaço, e como interage com outras matérias, é útil descrever o processo utilizando dois diferentes modelos: o modelo de onda, e o modelo de partículas. Jensen, 2005

5 Modelo de onda da radiação eletromagnética Em 1860, James Clerk Maxwell ( ) conceituou a radiação eletromagnética (REM) como uma onda que viaja através do espaço à velocidade da luz, c, a qual é 3 x 10 8 (ms -1 ). A onda eletromagnética consiste de campos flutuantes (1) elétrico e (2) magnético. Os dois vetores estão dispostos ortogonalmente em relação ao outro, e são perpendiculares à direção de voo. Onda eletromagnética Jensen, 2005

6 Modelo de onda da radiação eletromagnética

7 Como uma onda eletromagnética é criada? A radiação eletromagnética é gerada quando uma carga elétrica é acelerada. O comprimento de onda da radiação eletromagnética (l) depende da duração do tempo que a partícula carregada é acelerada, e sua frequência (v) depende do número de acelerações por segundo. Comprimento de onda é formalmente definido como a distância entre os máximos (ou mínimos) de um padrão mais ou menos periódico e é normalmente medido em micrômetros ( m) ou nanômetros (nm). Frequência é o número de comprimentos de onda que passa por um ponto por unidade de tempo.

8 Unidades de medida padrões para comprimento de onda e frequência Uma onda que envia uma crista a cada segundo (completando um ciclo) é dita como tendo uma frequência de um ciclo por segundo; ou um Hertz. Jensen, 2005

9 Modelo de onda da radiação eletromagnética Relação inversa entre comprimento de onda e frequência Crista ou máximo Comprimento de onda relativamente longo Mínimo Baixa frequência Essa secção transversal de uma onda eletromagnética ilustra a relação inversa entre comprimento de onda (l) e frequência (n). Quanto maior o comprimento de onda, menor a frequência; quanto menor o comprimento de onda, maior a frequência. Essa frequência é medida em ciclos por segundo ou hertz. Comprimento de onda relativamente curto Alta frequência Jensen, 2005

10 Modelo de onda da radiação eletromagnética Relações entre comprimento de onda, l, e frequência, n, da radiação eletromagnética : c c c l v v l l v Observe que a frequência é inversamente proporcional ao comprimento de onda!

11 A energia eletromagnética leva aproximadamente 8 minutos para viajar do Sol até a superfície da Terra (150 milhões de km). O Sol produz um espectro contínuo da radiação eletromagnética, desde comprimentos de onda curto (ex: raios gama), com alta frequência, até ondas longas (ex: ondas de rádio), de baixa frequência.

12 Modelo de Partícula da Energia Eletromagnética Por cerca de 100 anos antes de 1905, a luz era pensada como uma onda contínua e plana. Então, Albert Einstein ( ) descobriu que quando a luz interage com elétrons, apresenta um caráter diferente. Descobriu também que quando a luz interage com a matéria, ela se comporta como se fosse composta por um corpo individual, chamado fótons, o qual carrega tais propriedades de partículas, como energia e momentum (massa x velocidade).

13 Modelo de Partícula da Energia Eletromagnética Como resultado, os físicos atuais responderiam a pergunta o que é a luz? como luz é um tipo particular de matéria. Assim, algumas vezes podemos descrever a energia eletromagnética como uma onda; mas, quando a energia interage com a matéria, é útil considerar a energia como pacotes discretos de energia, ou quanta.

14 Modelo de Partícula da Energia Eletromagnética Os elétrons são pequenas partículas carregadas negativamente que se movem ao redor do núcleo carregado positivamente de um átomo. Os átomos de diferentes substâncias são constituídos de um número variável de elétrons arranjados de diferentes modos. A interação entre o núcleo carregado positivamente e o elétron carregado negativamente mantém o elétron em órbita.

15 Modelo de Partícula da Energia Eletromagnética Os percursos orbitais permitidos dos elétrons que se movem ao redor de um átomo podem ser vistos como classes ou níveis de energia.

16 Criação da luz a partir de uma partícula atômica Um fóton de energia é emitido quando um elétron num átomo ou molécula, salta de um estado de maior energia para um estado de menor energia. Jensen, 2009

17 Efeito fotoelétrico A matéria pode ser submetida a temperaturas tão altas que os elétrons, que normalmente se movem em órbitas fixas e não radiantes, tornam-se livres. Quando isso acontece, o átomo permanece com uma carga positiva igual à do elétron negativamente carregado que escapou. O elétron torna-se livre e o átomo é chamado de íon. Se um outro elétron livre completa o nível de energia vazio criado pelo elétron liberado, então é produzida radiação de todos os comprimentos de onda. O intenso calor na superfície do Sol produz um espectro contínuo desta maneira. Jensen, 2009

18 Teoria Quântica da REM Niels Bohr ( ) e Max Planck reconheceram a natureza discreta da troca de energia radiante e propuseram a teoria quântica da radiação eletromagnética. Essa teoria diz que a energia é transferida em pacotes discretos chamados de quantum ou fótons. A relação entre a frequência da radiação expressa pela teoria de onda quântica é: Q h v onde Q é a energia de um quantum medido em Joules, h é a constante de Planck (6, J s), e n é a frequência da radiação.

19 Modelo de Partícula da Energia Eletromagnética da equação anterior, podemos multiplicar a equação por h/h, ou 1, sem modificar o seu valor: Substituindo hn por Q, podemos expressar o comprimento de onda associado com um quantum de energia como: l hc Q l ou hc hv Q hc Assim, a energia de um quantum é inversamente proporcional ao comprimento de onda, ex.: quanto mais longo o comprimento de onda, menor a quantidade de energia envolvida. l

20 Exercício: Q versus λ Tabela 1: Bandas espectrais do sensor TM a bordo do satélite Landsat-5. Banda Faixa Espectral (µm) Frequência Energia, Q, (Joules) 1 0,45-0,52 (azul) 2 0,52-0,60 (verde) 3 0,63-0,76 (vermelho) 4 0,76-0,90 (IVP) 5 1,55-1,75 (IFM) 6 10,4-12,5 (IF Termal) 7 2,08-2,35 (IFM) Calcular a frequência e a energia associada, por banda espectral, e montar o gráfico: Q versus λ. Qual comprimento de onda tem mais energia? Elabore uma explicação!

21 Espectro Eletromagnético

22 Espectro Eletromagnético Frequência aumenta (f) Espectro do Visível Comprimento de onda aumenta (λ) Comprimento de onda aumenta (λ) em nm

23 Radiância no sensor Espectro Eletromagnético Refletido Termal Comprimento de onda (μm) Espectro refletivo Somente dia Espectro emissivo Dia e noite Eiamann, 2012

24 Espectro Eletromagnético Imagem pancromática : (a) imagem do visível obtida durante o dia; (b) imagem do infravermelho de ondas longas obtida durante a noite. Eismann, 2012

25 Espectro Eletromagnético Imagem multiespectral: (a) imagem colorida verdadeira; (b) imagem falsa-cor da mesma área, mas vista de cima. Eismann, 2012

26 Radiância Espectro Eletromagnético Dimensão Espacial Bandas Espectrais Espectro de um pixel Exemplo de imagem hiperespectral, mostrando o espectro da região do visível e do infravermelho de ondas curtas Eismann, 2012

27 Visível ( μm) A luz que nossos olhos, nosso sensor remoto, podem detectar é parte do espectro visível; O comprimento de onda do visível cobre um intervalo de aproximadamente 0,4 a 0,7 μm; É importante observar que esta é a única porção do espectro que podemos associar com o conceito de COR.

28 Visível ( μm) Violeta: 0,4 a 0,446 μm; Azul: 0,446 a 0,5 μm; Verde: 0,5 a 0,578 μm; Amarelo: 0,578 a 0,592 μm; Laranja: 0,592 a 0,620 μm; Vermelho: 0,620 a 0,7 μm.

29 Infravermelho ( μm) A região do infravermelho pode ser dividida em duas categorias baseadas em suas propriedades, o infravermelho refletido e o infravermelho emitido ou termal; A radiação na região do infravermelho refletido é utilizado pelo sensoriamento remoto de maneira muito similar que a radiação na porção visível.

30 Infravermelho ( μm) O infravermelho refletido cobre comprimentos de ondas que variam aproximadamente de 0,7 μm até 3,0 μm; A região do infravermelho termal é um pouco diferente que as porções do visível e do infravermelho refletido, uma vez que esta energia é essencialmente a radiação que é emitida pela superfície terrestre na forma de calor; O infravermelho termal cobre comprimentos de ondas que variam de 3,0 μm até 100 μm.

31 Microondas (1mm -1 m) A porção do espectro mais recentemente explorada pelo sensoriamento remoto é a região das microondas que variam de 1 mm até 1 metro; Esta porção cobre os maiores comprimentos de ondas usados pelo sensoriamento remoto;

32 Microondas (1mm-1 m) Band Designations (common wavelengths Wavelength (l) Frequency ( ) shown in parentheses) in cm in GHz K to 18.0 K a (0.86 cm) to 26.5 K u to 12.5 X (3.0 and 3.2 cm) C (7.5, 6.0 cm) S (8.0, 9.6, 12.6 cm) L (23.5, 24.0, 25.0 cm) P (68.0 cm) Jensen, 2009

33 Imagem SIR-C/X-SAR de uma porção de Rondônia, obtida em 10 de Abril de Jensen, 2009

34 Cor em Sensoriamento Remoto

35 Formação das Cores Existem diversas teorias sobre a visão das cores. A teoria mais aceita preconiza que existem três tipos de cones (receptores): (i) sensíveis à luz vermelha, (ii) sensíveis à luz verde e (iii) sensíveis à luz azul. A luz branca ao incidir sobre a retina do olho humano, estimularia igualmente todos os receptores. A luz vermelha ao incidir sobre a retina apenas estimularia os receptores sensíveis àquela radiação provocando a percepção visual da cor vermelha. Quando a cor amarela é vista, a sensação resulta do fato de que tanto os receptores sensíveis ao verde quanto ao vermelho estão sendo estimulados com a mesma intensidade.

36 Formação das Cores O primeiro cientista a provar que a sensação de luz branca era o resultado da existência simultânea de "luzes" de vários matizes foi Isaac Newton, por meio de um experimento simples, que consistiu em fazer incidir um feixe de luz branca sobre um prisma.

37 O Conceito de Cor O conceito de Cor é extremamente importante e indispensável não só para a Computação Gráfica, pois com o seu uso pode-se explorar um dos principais sentidos, a visão. Os seres humanos podem detectar cerca de 100 níveis de intensidade de luz.

38 O Conceito de COR O desafio do sistema digital é reproduzir esta resposta convertendo a informação recebida em um número apropriado de cores. Sabemos que todas as cores que o olho humano pode perceber são combinações de três cores primárias: RED/GREEN/BLUE(RGB).

39 O Espaço de Cores RGB O modelo de espaço de cores RGB (vermelho-verde-azul) é provavelmente o mais usado entre os modelos de cores, especialmente para dados de 8 bits. A teoria do espaço de RGB de Thomas Young ( ), é baseada no princípio de que diversos efeitos cromáticos são obtidos pela projeção da luz branca através dos filtros vermelho, verde e azul e pela superposição de círculos nas cores projetadas.

40 O Espaço de Cores RGB A luz branca é produzida se os três círculos coincidirem, sendo uma composição entre as cores primárias (RGB). As cores primárias não podem ser produzidas pela mistura de duas delas; por isso são definidas como cores primárias aditivas. Outras cores são produzidas quando duas cores se misturam: vermelho + azul = magenta vermelho + verde = amarelo verde + azul = ciano Soma das Cores

41 O Espaço de Cores RGB Com a variação da quantidade relativa das cores primárias, uma enorme gama de cores pode ser produzida, se incluir diversos tons a cada uma delas. Usando-se filtros, as cores podem ser subtraídas da luz branca: ciano = branco - vermelho magenta = branco - verde amarelo = branco - azul Subtração das Cores

42 Composição Colorida Band Composite Output = Color Guns = Band Combination = (LANDSAT) BLUE GREEN RED NEAR IR SHORT WAVE IR MID- WAVE IR LONGWAVE IR Landsat TM Band

43 Composição Colorida Grey Level Values or Digital Numbers (DN) Red Green Blue Composite

44 Composição Colorida Landsat Thematic Mapper Bands 7, 4, and 2 (RGB). Composição colorida falsa cor TM Band 7 TM Band 4 TM Band 2 RED Component GREEN Component BLUE Component

45 Composição Colorida Landsat Thematic Mapper Bands 4, 3, and 2 (RGB). Composição colorida falsa cor TM Band 4 TM Band 3 TM Band 2 RED Component GREEN Component BLUE Component