Sensoriamento Remoto Hiperespectral PPGCC. Enner Alcântara Departamento de Cartografia Universidade Estadual Paulista Presidente Prudente

Transcrição

1 Sensoriamento Remoto Hiperespectral PPGCC Enner Alcântara Departamento de Cartografia Universidade Estadual Paulista Presidente Prudente 2014

2 Conceitos Radiométricos Básicos Uma breve revisão 1. Energia radiante; 2. Fluxo radiante; 3. Irradiância; 4. Exitância; 5. Radiância; 6. Intensidade Radiante; 7. Reflectância; 8. Absortância; 9. Transmitância.

3 Radiometria Básica A base da tecnologia de sensoriamento remoto é a detecção das alterações sofridas pela radiação eletromagnética quando esta interage com os componentes da superfície terrestre. Vamos supor um feixe de radiação incidindo sobre um objeto; para avaliarmos o tipo de interação da radiação com o objeto, temos que realizar algumas medidas que nos informem sobre a quantidade de energia produzida pela fonte, a quantidade de energia atenuada pelo meio, que se interpõe entre a fonte e o objeto, e a quantidade de energia absorvida pelo objeto. Além dos aspectos quantitativos, temos interesse em saber quais regiões do espectro de radiação da fonte sofreram maior atenuação pelo meio, antes de incidir sobre o objeto, e em que regiões do espectro houve maior ou menor absorção.

4 Radiometria Básica Essas informações são derivadas de medidas radiométricas. A radiometria, tem como objetivo medir a energia radiante. O conhecimento desses termos radiométricos é de grande importância para a compreensão do processo de extração de informações sobre objetos da superfície, a partir de dados de sensoriamento remoto. Em sensoriamento remoto o que se registra, basicamente, é o fluxo radiante que deixa a superfície em direção ao sistema sensor. O que nos interessa é conhecer como esse fluxo radiante se modifica espectralmente e espacialmente numa determinada área.

5 Radiometria Básica Como o fluxo que deixa a superfície é medido durante certo intervalo de tempo (tempo de exposição ou tempo de integração), o que é realmente registrado é energia em joules. Geralmente os tempos de integração ou exposição são constantes, o que faz com que diferenças de cena para cena sejam devidas a modificações no fluxo radiante registrado.

6 Corumbá, MS Imagem Landsat -5 TM 16/junho/2011 Imagem Landsat -5 TM 04/outubro/2011

7 Energia Radiante (Q) A grandeza fundamental da radiação óptica é a energia radiante. É a energia transportada em forma de ondas eletromagnéticas. É a partir dessa grandeza fundamental que derivam todas as outras grandezas radiométricas usadas para descrever a radiação óptica. É caracterizada pelo símbolo Q e é dada em joules (J). Q h f ( J) h=cte. de Planck (6,626x10-34 J.s); f = frequência (Hertz). A energia radiante geralmente apresenta uma complexa dependência de inúmeras variáveis, incluindo tempo, comprimento de onda e coordenadas espaciais (x,y,z).

8 Fluxo Radiante ( ) É a taxa de variação de energia radiante no tempo. É dada pelo símbolo e sua unidade é o watts (W). Q t Jensen, 2005

9 Irradiância (E ) A quantidade de fluxo radiante incidente sobre uma superfície por unidade de área da superfície é chamada de Irradiância (E,W m -2 ): E A Jensen, 2005

10 Exitância (M ) A quantidade radiante que emerge de uma superfície por unidade de área da superfície é chamada de Exitância (M, W m -2 ). M A Jensen, 2005

11 Radiância (L) Radiância (L) é a intensidade radiante por unidade de área-fonte projetada numa direção específica. É medida em watts por metro quadrado por esterorradiano (W m -2 sr -1 ). Estamos interessados apenas no fluxo radiante em certos comprimentos de onda (λ) deixando a área-fonte projetada (A) numa certa direção ( ) e num ângulo sólido ( ): L Acos Jensen, 2005

12 Ângulo Sólido Todo sensor possui uma abertura pela qual a REM refletida ou emitida pelos objetos passa em direção ao chamado detector, que é o elemento que realmente sente a REM. Essa abertura possui dimensões variáveis e dependente das características tecnológicas do instrumento ou da própria natureza das operações de coleta de dados. De qualquer forma, entre esta abertura e o ponto da superfície do objeto passa a ser definido um cone por onde trafega a REM. Esse cone é denominado Ângulo sólido ( ). Ponzoni, 2001

13 Ângulo Sólido Ângulo sólido ( ) pode ser entendido como um "setor" de uma esfera, definido pela razão entre o elemento de área na superfície da esfera e o seu raio ao quadrado: A 2 [ sr r ] Lillesand, Kiefer and Chipman, 2008

14 Normal à superfície Vista lateral da áreafonte, A Radiância Fluxo radiante Conceito de radiância deixando uma área-fonte projetada no terreno, em uma direção específica, e num ângulo sólido específico. Área-fonte projetada Jensen 2005

15 Na Prática como isso é medido pelo instrumento? a superfície sensível de um detector mede a potência óptica que sai do ângulo sólido; a radiância é então calculada, com base na calibração do equipamento.

16 Intensidade Radiante Fluxo radiante deixando uma fonte (pontual) por unidade de ângulo sólido numa determinada direção (W sr -1 ). I = f W

17 Nota! Por que a radiância é definida como direcional e a irradiância é dita hemisférica? O sensor recebe energia radiada por uma fonte da ao longo de uma direção específica; a radiância é então direcional! A irradiância na superfície da Terra no espectro visível é devido ao Sol. O Sol tem uma posição precisa no arco celestial, podemos ser levados a pensar que a irradiância é direcional. Mas não é! A radiação visível chega até nós não somente da direção do Sol, mas também de todas as direções no hemisfério superior. Consequentemente, a irradiância solar é a soma de toda irradiância direta e difusa e é portanto, hemisférica!

18 Resumo dos termos radiométricos

19 Reflectância Razão entre o fluxo radiante refletido e o fluxo radiante incidente numa superfície (adimensional). r = f r f i

20 Absortância Razão entre o fluxo radiante absorvido e o fluxo radiante incidente numa superfície (adimensional). a = f a f i

21 Transmitância Razão entre o fluxo radiante transmitido e o fluxo radiante incidente numa superfície (adimensional). t = f t f i 1

22 Alvo e radiância de trajetória Idealmente, a radiância registrada por uma câmera fotográfica ou detector é uma função verdadeira da quantidade de radiância emergindo do alvo no terreno dentro do campo de visada instantâneo (IFOV) num ângulo sólido específico. Infelizmente, outras energias radiantes provenientes de várias trajetórias podem adentrar no campo de visada e introduzir ruído/confusão no processo de sensoriamento remoto. Jensen 2005

23 Trajetória 1 contém a irradiância espectral solar ( E o ) que foi muito pouco atenuada antes de iluminar o terreno contido no IFOV. Note que neste caso estamos interessados na irradiância solar proveniente de um ângulo zenital solar específico ( o ) e que a quantidade de irradiância atingindo o terreno é uma função da transmitância atmosférica neste ângulo ( T o ). Se toda a irradiância atinge o terreno, então a transmitância atmosférica ( T o ) é igual a 1. Se nenhuma irradiância atinge o terreno, então a transmitância atmosférica é zero.

24 Trajetória 2 contém a irradiância espectral difusa ( E d ) que nunca atinge a superfície da Terra (o alvo na área de estudo) por causa do espalhamento na atmosfera. Infelizmente, tal energia é frequentemente espalhada diretamente no IFOV do sistema sensor. O espalhamento Rayleigh da luz azul contribui muito para a irradiância solar difusa. É por causa disso que a imagem da banda azul produzida por um sistema sensor remoto frequentemente é mais clara que qualquer outra banda. Ela contém muito da irradiância solar difusa indesejável que foi espalhada inadvertidamente para o IFOV do sistema sensor. Esta trajetória é conhecida como reflectância ascendente da atmosfera ( E du ).

25 Trajetória 3 contém a energia proveniente do Sol que sofreu algum espalhamento Rayleigh, Mie, e/ou espalhamento não seletivo e talvez alguma absorção e emissão antes de iluminar a área de estudo. Assim, sua composição espectral e polarização podem ser um pouco diferentes da energia que atinge o terreno segundo a trajetória 1. É conhecida como reflectância descendente da atmosfera ( E dd ).

26 Trajetória 4 contém a radiação que foi refletida ou espalhada pelo terreno próximo ( n ) coberto por concreto, solo, água e/ou vegetação para dentro do IFOV do sistema sensor. A energia não ilumina efetivamente a área de interesse. Portanto, se possível, deveríamos minimizar seus efeitos. As trajetórias 2 e 4 se combinam para produzir o que é conhecido por Radiância de Trajetória, L p.

27 Trajetória 5 é a energia que também foi refletida pelo terreno próximo para a atmosfera, mas que então foi espalhada ou refletida para a área de estudo.

28 Radiância (L T ) das trajetórias 1, 3, e 5 contém informação espectral valiosa sobre o alvo de interesse. Reciprocamente, a radiância de trajetória (L p ) das trajetórias 2 e 4 incluem Irradiância difusa do céu ou radiância de áreas vizinhas no terreno. Essa trajetória geralmente introduz ruídos radiométricos não esperados nos dados de sensoriamento remoto e complica a interpretação de imagens. Jensen 2004

29 Para um dado intervalo espectral no espectro eletromagnético (por exemplo, λ 1 e λ 2 poderia ser 0,6-0,7 µm ou luz vermelha), a irradiância solar total atingindo a superfície da Terra, E gλ, é uma integração de vários componentes: Sendo uma função da irradiância solar espectral no topo da atmosfera (E 0λ ) multiplicada pela transmitância atmosférica (T θo ) num certo ângulo zenital solar (θ o ) mais a contribuição da irradiância solar difusa (E dλ ). 2 g o o cos o d [ 2 1 ] E E T E d Wm m 1

30 Apenas uma pequena quantidade desta irradiância é realmente refletida pelo terreno na direção do sistema sensor. Se assumirmos que a superfície da Terra seja um refletor difuso (superfície Lambertiana), a quantidade total de radiância emergindo do alvo em direção ao sensor é: 2 1 L T ( E T cos E ) d T v d 1 A reflectância média da superfície do alvo (ρ λ ) é incluída porque a vegetação, o solo, e a água dentro do IFOV absorvem seletivamente parte da energia incidente. Portanto, nem toda energia incidente (E gλ ) emerge para o IFOV.

31 Ideal: Real: L s = L T L s ¹ L T A radiância total registrada por um sistema sensor torna-se: L L L Wm sr [ 2 1 ] s T P O que gera a necessidade de realizar a correção atmosférica! L s L T L P Radiância total no sensor Radiância total do alvo em direção ao sensor Radiância de trajetória de múltiplos espalhadores

32 Correção atmosférica

33 Espalhamento O espalhamento difere da refração na direção associada com o espalhamento que não é previsível, enquanto que a direção de refração é previsível. Existem três tipos de espalhamento: Rayleigh (ou molecular), Mie (ou não-molecular/ partículas de aerossóis), e Não-seletivo.

34 Espalhamento Rayleigh Espalhamento Rayleigh ocorre quando o diâmetro da matéria (geralmente moléculas do ar) é muitas vezes menor que o comprimento de onda da radiação incidente. Todo espalhamento é realizado através da absorção e reemissão da radiação por átomos e moléculas. É impossível predizer a direção em que um átomo ou molécula específica emitirá um fóton.

35 Camadas da atmosfera e seus constituíntes aerossóis estratosféricos Gases traços Moléculas gasosas (espalhamento Rayleigh) aerossóis troposféricos Superfície Terrestre Jensen 2005

36 Espalhamento Rayleigh O espalhamento Rayleigh é responsável pelo céu azul. Comprimentos de onda menores, violeta e azul, são mais espalhadas que comprimentos de onda longos, laranja e vermelho. Esse espalhamento é responsável pela cor vermelha durante o pôr do sol.

37 Espalhamento Rayleigh A quantidade aproximada de espalhamento Rayleigh na atmosfera nos comprimentos de onda do visível (0,4-0,7 µm) pode ser estimada utilizando o algoritmo de espalhamento pela seção transversal de Rayleigh (τ m ): m 8 3 n N 2 4 Onde n é o índice de refração, N é o número de moléculas de ar por unidade de volume, λ é o comprimento de onda.

38 Intensidade da luz espalhada Energia em elétron-volt (ev) Espalhamento Rayleigh A intensidade do espalhamento Rayleigh varia inversamente com a quarta potência do comprimento de onda ( -4 ). Por exemplo: a luz azul (0.4 m) é espalhada 16 vezes mais do que a luz do infravermelho próximo (0.8 m). Comprimento de onda (μm)

39 Espallhamento Mie Acontece quando as partículas presentes na atmosfera são essencialmente esféricas, com diâmetros aproximadamente iguais ao comprimento de onda. Para a luz do visível, vapor d água, e outras partículas (de poucos a muitos micrometros) de diâmetro são os maiores espalhadores. A Poluição também contribui para lindos nascer do sol e pôr do sol. Quanto maior a quantidade de fumaça e poeira na coluna atmosférica, mais luz violeta e azul será espalhada; e somente os comprimentos de onda laranja e vermelho chegarão aos nossos olhos.

40 Espallhamento Mie Em locais de altitudes mais elevadas, o céu costuma ser mais azul, porque a quantidade de partículas que provocam o espalhamento Mie costuma ser menor. Tunari, Bolívia (4000m de altitude)

41 Espalhamento não-seletivo Espalhamento não-seletivo é produzido quando há várias partículas na atmosfera várias vezes maior que o diâmetro da radiação transmitida. Esse tipo de espalhamento é não-seletivo, ex: todos os comprimentos de onda são espalhadas, não somente o azul, verde ou vermelho. Assim, gotículas de água, as quais formam nevoeiro e nuvens, espalhando todos os comprimentos de onda da luz visível igualmente, causando a cor branca das nuvens. Espalhamento pode reduzir drasticamente o conteúdo de informação nos dados de sensoriamento remoto, com perda de contraste, tornando difícil a diferenciação entre objetos.

42 Espalhamento Atmosférico O tipo de espalhamento é função de: 1) Comprimento de onda da energia radiante incidente, e 2) O tamanho da molécula de gás, poeira, ou vapor d água. Jensen 2005

43 Leis da Radiação