APÊNDICE F SENSORES HIPERESPECTRAIS

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1 APÊNDICE F SENSORES HIPERESPECTRAIS F.1 - Histórico No período entre os anos 80 até os anos 90, os sensores hiperespectrais têm-se mostrado como uma tecnologia emergente (Kruse et al., 1993). Eles possuem grande potencial na produção dos tradicionais mapeamentos da cobertura da superfície, bem como nos novos mapeamentos baseados nas medidas quantitativas das propriedades da superfície terrestre. Estes sensores são capazes de obter imagens com bandas espectrais contínuas e muito estreitas, simultaneamente. O Airborne Imaging Spectrometer (AIS) foi o primeiro de uma série dos chamados sensores hiperespectrais aerotransportados. Começou a ser projetado no JPL em 1982, possuindo 128 bandas espectrais contíguas, compreendidas entre 0,9µm e 2,4µm (Crósta, 1996). Logo em seguida, veio o sensor AVIRIS que continua operando e vem sendo aperfeiçoado pela NASA/JPL. Este possui 224 bandas com uma largura média em torno de 0,010µm e compreendidas entre 0,4µm e 2,5µm. Este sensor permite a obtenção de uma assinatura espectral contínua e detalhada para cada pixel de uma cena, com uma resolução espacial em torno de 20m. Os sensores hiperespectrais aerotransportados foram desenvolvidos de modo a dar o passo inicial para o lançamento de sensores orbitais hiperespectrais. Como exemplo, pode-se citar o sensor Hiperspectral Imager (HSI), associado com a TWR e o JPL, que estava previsto para ser lançado em 1997, mas que, por problemas técnicos não chegou a entrar em operação (Crósta, 1996). 177

2 À medida em que foi se verificando os benefícios e o potencial dos sensores de alta resolução espectral, viu-se surgir um mercado para empresas de desenvolvimento, operação e prestação de serviços, baseados em sensores de dezenas, ou até mesmo centenas, de bandas espectrais. Como exemplo, pode-se citar a empresa australiana Geoscan que possui o sensor AMSS de 24 bandas e resolução espacial de até 3m (Crósta, 1996). Estes conjuntos de sensores revelaram o grande potencial do uso da alta resolução espectral no estudo da composição de coberturas superficiais como vegetação, água, solos, minerais e composição atmosférica. Alguns exemplos de sensores existentes no mercado e em desenvolvimento podem ser vistos na Tabela F

3 TABELA F.1 - SENSORES HIPERESPECTRAIS EXISTENTES NO MERCADO OU EM DESENVOLVIMENTO SENSOR EMPRESAS Canais AAHIS Advanced Airborne Hyperespectral Imaging System AISA Airborne Imaging Spectrometer for Applications ASAS Advanced Solid State Array Spectroradiometer CASI Compact Airborne Spectrographic CIS Chinese Imaging Spectrometer DAIS Digital Airborne Imaging Spectrometer DAIS 7915 Digital Airborne Imaging Spectrometer FTVFHSI Fourier-Transform Visible Hyperspectral Imager HIRIS High Resolution Imaging Spectrometer HYDICE Hyperspectral Digital Imagery Collection Experiment IMSS Image multiespectral Sensing SETS Technology Range (µm) 288 0,43-0,83 VTT 286 0,45-0,9 NASA 62 0,4-1,06 ITRES Reserch 288 0,43-0,86 Shanghai Institute of Technical 91 0,4-12,5 Physics GER Corp ,4-12 GER Corp. 79 0,4-12 Kestrel Corp., FIT 256 0,44-1,15 NASA/EOS 192 0,4-2,5 Naval Research Laboratory/ERIM Pacific Advanced Technology 210 0,413-2, IRIS Infrared Imaging Spectroradiometer ERIM MIDIS Multiband Identification and Discrimination Imaging Spectroradiometer FONTE: Adaptado de Schaepman (1997). Surface Optics Corp., JPL 256 0,

4 F.2 - Sensor AVIRIS O AVIRIS (Figura F.1) é um sensor hiperespectral aerotransportado que pertence ao JPL. Foi utilizado no Brasil durante a missão SCAR-B, compreendida entre o período de agosto a setembro de Os objetivos da missão SCAR-B visavam o estudo das partículas suspensas no ar, chamados aerossóis. Foram utilizadas para isto, duas plataformas principais de observação: o ER-2, que é uma aeronave com capacidade de voar na baixa estratosfera, e o Convair C-131A, com capacidade de voar na troposfera (Kirchhoff, 1995). Segundo Vane et al. (1993) as principais vantagens da escolha destas plataformas devem-se às seguintes situações: (1) - São geralmente muito estáveis em vôo; (2) - Têm uma boa relação velocidade-altura;e (3) - Possuem uma ótima autonomia de vôo, capazes de voar até 2100Km de sua base de apoio. Além do AVIRIS, diversos sensores foram utilizados nestas plataformas durante esta missão. Maiores informações podem ser encontradas em SCAR-B (1996). F Características Gerais O AVIRIS é a segunda geração de espectrômetros imageadores desenvolvido pelo JPL para uso em sensoriamento remoto. Tem como finalidade a utilização em várias áreas científicas, tais como botânica, geologia, hidrologia, oceanografia e ciência atmosférica. Seu projeto e construção foram iniciados em 1984 e finalizados em junho de Após sua calibração em laboratório, seu vôo operacional ocorreu em 25 de junho de 1987 (Vane et al., 1987). 180

5 Fig F.1 - Sensor AVIRIS. FONTE: Adaptada de Vane (1987), p.89. Este sensor foi projetado para tirar vantagens no diagnóstico das feições da absorção tipicamente estreitas, que ocorrem nos materiais da superfície terrestre (Figura F.2). É capaz de propiciar imagens em 224 bandas espectrais contíguas de 0,010µm de largura entre as regiões de 0,4µm e 2,45µm (Wallace e Enmark, 1987). 181

6 Fig F.2 - Concepção do Sensor Hiperespectral AVIRIS. FONTE: Adaptada de JPL (1997). Trabalhos realizados anteriormente com o sensor AIS determinaram que o intervalo de amostra de 0,010µm para o AVIRIS seria o adequado. O comprimento de onda de corte escolhido em 2,450µm visou evitar as emissões no infravermelho termal. Como pode-se observar na Figura 2.3, o espectro utilizado pelo AVIRIS é fortemente influenciado pelo espalhamento na faixa do visível, bem como pela absorção dos gases. Destaca-se entre eles: o oxigênio (O 2 ) em 0,760µm; vapor d água (H O 2 ) em 0,94µm, 1,14µm, 1,38µm e 1,88µm; e dióxido de carbono (CO 2 ) em 1,6µm e 2,060µm. 182

7 Fig.F.3 - Espectro do sensor AVIRIS com suas respectivas bandas de absorção. FONTE: Adaptada de Vane et al. (1987), p.95. O AVIRIS possui um campo de visada instantâneo de 1 mrad e o ângulo de varredura de 30. Isto implica em uma faixa de imageamento de 10,5Km, composta de pixels que subentendem uma resolução de 20m no solo, obtidos a uma altitude de 20Km. A imagem no sistema é obtida a partir de espelhos de varredura, que definem uma linha de 614 pixels de largura perpendicular à direção de vôo e pela direção da aeronave, que define a extensão da imagem. De acordo com Johnson e Green (1995), uma equipe de campo é responsável pelo monitoramento dos instrumentos, onde são realizados diagnósticos de pré e pós-vôo. Estes diagnósticos são enviados ao JPL para o processamento dos dados AVIRIS, onde são realizadas as tarefas de monitoramento do desempenho dos instrumentos, arquivamento dos dados, calibração, tornando os dados disponíveis para o 183

8 usuário. F Características Ópticas O sistema óptico do sensor AVIRIS é composto por quatro espectrômetros que são conectados através de fibra óptica e determinados A, B, C e D. O espectrômetro A contém 32 elementos em série de detectores de silício, enquanto que os espectrômetros B, C, e D empregam 64 elementos em série de detectores de antimoneto de índio (Macenta e Chrisp, 1987; Chrisp et al., 1987). Os detectores de silício são utilizados para a faixa espectral compreendida entre 0,4µm a 0,7µm, enquanto que os detectores de antimoneto de índio são empregados para a faixa de 0,7µm a 2,5µm. Os espectrômetros ainda são isolados, tanto das possíveis vibrações inerentes ao sistema óptico, quanto termicamente. A Figura F.4 mostra o esboço dos quatro espectrômetros. Fig.F.4 - Sistema óptico composto por seus quatro espectrômetros. FONTE: Adaptada de Vane (1987), p

9 F Calibração A calibração do sensor é efetuada em três etapas. A primeira etapa é feita por meio de um calibrador a bordo, que fornece uma referência espectral e radiométrica contínua durante a coleta de dados. A segunda etapa é realizada duas vezes por ano em laboratório, onde aspectos radiométricos, espectrais e geométricos são comparados com os padrões de laboratório. Finalmente, a terceira etapa da calibração é realizada três vezes ao ano, onde o desempenho do sensor é comparado a predições teóricas, baseadas em medidas atmosféricas da reflectância da superfície e métodos de transferência radiativa (Vane et al., 1987). Na Tabela F.2 são resumidos os principais parâmetros relacionados ao sensor hiperespectral AVIRIS. 185

10 TABELA F.2 - PARÂMETROS DO AVIRIS PARÂMETROS DO AVIRIS Aeronave - ER-2 DADOS DA MISSÃO Altitude de vôo - 20Km Velocidade no solo - 740km/h Largura de Faixa - 11Km PARÂMETROS GEOMÉTRICOS Comprimento de Faixa - até 100Km IFOV - 1mrad FOV - 30 graus PARÂMETROS ESPECTRAIS ESPECTRÔMETRO - A ESPECTRÔMETRO - B ESPECTRÔMETRO - C ESPECTRÔMETRO - D PROCESSAMENTO DOS DADOS Cobertura Espectral - de 0,4µm a 2,45µm Intervalo de amostragem - 0,010µm Tipo - Arranjo linear Número de elementos - 32 Comprimento de onda - de 0,410µm a 0,7µm Material - Silício Tempo de integração - 87µseg Área ativa do detector - 200µm x 200µm Tipo - Arranjo linear Número de elementos - 64 Comprimento de onda - de 0,680µm a 1,270µm Material - Antimoneto de índio Tempo de integração - 87µseg Área ativa do detector µm x 200µm Tipo - Arranjo linear Número de elementos - 64 Comprimento de onda - de 1,250µm a 1,860µm Material - Antimoneto de índio Tempo de integração - 87µseg Área ativa do detector - 200µm x 200µm Tipo - Arranjo linear Número de elementos - 64 Comprimento de onda - 1,840µm a 2,450µm Material - Antimoneto de índio Tempo de integração - 87µseg Área ativa do detector - 200µm x 200µm Conversor A/D:12 bits Taxa de leitura de dados do detector - 1,37µseg / elemento espectral Elementos espectrais/ pixel : 224 Pixels / varredura: 614 VARREDURA Velocidade: 12 varreduras/seg FONTE: Adaptada de Wallace e Enmark (1987), p