DETEÇÃO REMOTA 2011/2012 EXAME ÉPOCA DE RECURSO 26 de Janeiro de 2012

Transcrição

1 DETEÇÃO REMOTA 2011/2012 EXAME ÉPOCA DE RECURSO 26 de Janeiro de 2012 PARTE I 1 A figura ao lado fornece uma explicação esquemática da cor azul do céu. 1.1 A que fenómeno se reporta a figura? O que representa o feixe de setas? 1.2 O que significam os símbolos e a fórmula representada? 1.3 Com base no esquema, explique o azul do céu e o vermelho do pôr-do-sol. A 2 A figura ao lado apresenta a refletância em função do comprimento de onda (µm) para três tipos de coberto: vegetação verde, solo claro e solo escuro. A B B C C D 2.1 Faça corresponder as letras A, B, e C aos três tipos de coberto. Justifique a sua resposta. 2.2 Com base nas curvas representadas, explique a vantagem da utilização dos canais do vermelho (~0.6 µm) e do infravermelho próximo (~0.8 µm) para distinguir entre solo e vegetação? 2.3 No espaço vermelho versus infravermelho próximo, faça um esboço das isolinhas de um índice de vegetação resistente aos solos. 1

2 3 Na figura ao lado encontram-se representadas, numa escala de cinzento, valores de refletância no MIR referentes a pixéis cobrindo uma determinada área florestada. As curvas fechadas delimitam superfícies queimadas previamente identificadas. II 3.1 A escala de cinzentos é invertida? Justifique a sua resposta. 3.2 Quais as vantagens da utilização do MIR na deteção de áreas queimadas quando essa detecção é efectuada enquanto há fogos ativos em pixéis vizinhos? 3.3 Explique por que razão a refletância do MIR se não obtém diretamente a partir das medições de um dado satélite. 4 O diagrama ao lado representa um corte numa imagem no infravermelho térmico. O corte considerado encontra-se representado na carta abaixo sob a forma do segmento representado a tracejado. Os valores do corte correspondem a valores da escala de cinzentos da imagem no infravermelho térmico. 4.1 Sabendo que a imagem foi obtida por volta das 14 horas solares, será que a escala de cinzentos é invertida? Justifique a sua resposta. 4.2 Admitindo que o corte é representativo de toda a imagem, faça um esboço do histograma de valores do infravermelho (na escala de cinzentos) para toda a área representada no mapa. 4.3 Como procederia para construir uma máscara de mar com base na informação que obteve do corte? 2

3 DETEÇÃO REMOTA 2011/2012 EXAME ÉPOCA DE RECURSO 26 de Janeiro de 2012 PARTE II 5 Na figura ao lado representa-se, em função do comprimento de onda (µm), a absorção (%) no infravermelho térmico por diversos gases que compõem a atmosfera. 5.1 Como se designa a zona de comprimentos de onda delimitada pela barra a cinzento? 5.2 Por que se designam as bandas centradas em 11 µm e em 12 µm respectivamente como canal limpo e canal sujo? 5.3 Explique, de forma concisa, como se podem utilizar os canais de 11 µm e de 12 µm para estimar a temperatura da superfície da água do mar. 6 As figura ao lado representam uma imagem no infravermelho térmico (painel esquerdo) e outra no visível (painel direito) de um chuveiro de água quente. O chuveiro tem uma superfície cromada altamente polida e uma superfíce de borracha com orifícios por onde sai a água. 6.1 Defina emissividade de um corpo e mostre como esta quantidade se relaciona com a temperatura do corpo e a radiância emitida. 6.2 O que pode concluir acerca da emissividade da superfície cromada do chuveiro na região térmica? Note as reflexões dos jactos de água na superfície cromada! 6.3 Admitindo que a água é um corpo negro e que a imagem no infravermelho térmico estava radiometricamente calibrada, mostre como poderia estimar a sua temperatura. 3

4 Wavelength (nm) Percent Reflectance b Algae-Laden Water with Various Suspended Sediment Concentrations 500 mg/l 7 A figura ao lado mostra, em função do comprimento de onda (nm) valores de refletância (%) da água para diversas concentrações de um dado tipo de algas. 7.1 Diga o que entende por refletância A que se devem os baixos valores 0 mg/l de refletância na banda dos azuisclaro ( nm) e na cor vermelha (~ 675 nm)? Wavelength (nm) 7.3 Como poderia utilizar a informação da reflectividade nos canais 490 e 555 nm para estimar a concentração de clorofila oceânica? 8 O seguinte procedimento é por vezes utilizado para se construir uma máscara de terra a partir de uma imagem no infravermelho próximo: Obter 5-10 clusters recorrendo a uma classificação não supervisada. Identificar, através de uma análise dos valores dos respectivos centróides, quais os clusters que correspondem a pixéis de mar e quais os que correspondem a pixéis de terra. Recodificar os pixéis de mar com 0 e os pixéis de terra com Diga o que entende por uma classificação não supervisada. Dê um exemplo de um método de classificação não supervisada. 8.2 O que são os centróides dos clusters? Como procederia para identificar os clusters característicos de mar e de terra? 8.3 Recorrendo ao Bilko, como poderia recodificar os pixéis? 4

5 DETEÇÃO REMOTA 2011/2012 EXAME ÉPOCA DE RECURSO 26 de Janeiro de 2012 COTAÇÃO PARTE I PARTE II valores 2.5 valores val val val val val val valores 2.5 valores val val val val val val valores 3.0 valores val val val val val val valores 2.0 valores val val val val val val. 10 valores 10 valores RESOLUÇÃO 1. PARTE I 1.1 Trata-se da dispersão de Rayleigh, a qual tem lugar quando o diâmetro das partículas dispersoras é muito menor do que o comprimento de onda da radiação eletromagnética incidente. No caso da atmosfera trata-se das moléculas de ar entre os níveis de 2 e 8 km. O feixe de setas representa, para um dado comprimento de onda, a dependência da radiação dispersa com a direcção de incidência, tendo-se que a dispersão é máxima na direcção e sentido de propagação da radiação incidente, bem como na direcção e sentido oposto e é mínima nas direcções perpendiculares. 5

6 1.2 A dispersão de Rayleigh caracteriza-se por a intensidade da radiação dispersa,, variar na razão inversa da quarta potência do comprimento de onda,, isto é,. 1.3 Quando um observador olha para cima num dia de céu limpo, os seus olhos recebem a radiação de pequeno comprimento de onda que foi dispersada de forma preferencial; ora, a dispersão de Rayleigh leva a que os violetas e os azuis sejam dispersos de forma mais eficiente do que os laranjas e os vermelhos. Daí a tonalidade azul do céu. Quando, no ocaso, o sol se apresenta no horizonte, a radiação solar tem de atravessar uma camada de atmosfera muito mais espessa do que perto do meio-dia, quando o sol está na sua posição mais elevada acima do horizonte. Ora, quando o observador olha para o sol poente, a radiação que chega aos seus olhos será a radiação directa, isto é, aquela que não é dispersa pela atmosfera no seu percurso até ao observador e que é constituída pelos laranjas e pelos vermelhos, dado que os violetas e os azuis sofrem de dispersão particularmente forte dada a espessura da atmosfera atravessada. Daí o vermelho do pôr-do-sol Devido à presença nas folhas de clorofila e de outros pigmentos absorventes, a vegetação verde absorve muito bem a radiação solar na banda do visível (em particular no vermelho), mas dispersa fortemente a radiação solar na banda do infravermelho próximo. Já os solos tendem a apresentar um contraste relativamente pequeno entre as reflectividades no vermelho e no infravermelho próximo, tendo-se que os solos claros (e secos) tendem a apresentar reflectividades, no vermelho e no infravermelho próximo relativamente mais elevadas que os solos escuros (e húmidos). Assim, a curva A corresponde vegetação verde, a curva B corresponde a solo claro e a curva C corresponde a solo escuro. 2.2 Conforme referido na alínea anterior, as bandas do vermelho e do infravermelho são aquelas em que se tem um maior contraste entre vegetação verde e a generalidade das outras superfícies naturais, caracterizando-se as vegetação verde por apresentar um contraste muito elevado entre as reflectividades no vermelho (que é muito baixa) e no infravermelho próximo (que é muito alta). 2.3 Um índice de vegetação resistente aos solos representa um compromisso entre uma sensibilidade crescente à vegetação e uma sensibilidade decrescente ao solo. Assim, as isolinhas do índice devem ser quase paralelas à linha do solo, para valores próximos de reflectividade no vermelho (Red) e no infravermelho próximo (NIR), tornando-se cada vez mais curvas concêntricas com o ponto de fuga da vegetação ( VEG ) à medida que os pontos no espaço Red-NIR se vão aproximando do ponto de fuga. 6

7 Uma das características da assinatura espectral do carvão é a sua elevada reflectância na banda do infravermelho médio (λ ~ 4 µm) em contraste com os valores muito baixos da reflectância nessa banda característicos da vegetação verde. Assim a escala de cinzentos da imagem não é invertida na medida em que as áreas queimadas se apresentam mais claras que as áreas não queimadas. 3.2 Quando a identificação das áreas queimadas é efectuada em simultâneo com a ocorrência de fogos activos em pixéis vizinhos, tem-se, em geral, que a área em estudo estará contaminada por aerossóis de fumo que dificultam a observação da superfície na medida em que reduzem o contraste espectral entre os diferentes tipos de coberto do solo. Dado que o sinal no infravermelho médio (MIR) é muito pouco afectado pela presença de aerossóis de fumo, a banda do MIR apresenta-se especialmente adequada para a monitorização da superfície durante episódios de fogo activo. 3.3 A reflectância no MIR não pode ser obtida directamente a partir de medições efectuadas por instrumentos a bordo de satélites na medida em que, numa dada medição, estão presentes diversas fontes radiativas, nomeadamente as associadas à emissão térmica pela superfície e pela atmosfera, e ainda as associadas à reflexão solar pela superfície e pela atmosfera. Durante o dia natural, a componente solar reflectida pela superfície é da mesma ordem de grandeza da componente emitida pela superfície pelo que se tem de recorrer a metodologias apropriadas que permitam separar a reflectância no MIR da totalidade do sinal medido pelo instrumento a bordo do satélite A água tem uma capacidade calorífica muito superior à do solo e, sendo assim, por volta das 14 horas quando a radiação solar incidente é próxima do valor máximo a temperatura das terras emersas será bastante superior à temperatura do mar. Tendo em conta a informação fornecida pelo corte, os valores de brilho correspondentes a pixéis de mar são muito superiores aos valores de brilho dos pixéis correspondentes a pixéis de terra, pelo que a imagem estará numa escala de cinzentos invertida. 4.2 Tendo em conta o contraste térmico entre os meios mar e terra e a consequente diferença de valores de brilho a eles associados, será de esperar um histograma bimodal, resultante de duas distribuições centradas em torno dos valores médios associados a cada um dos meios. 4.3 Tendo em conta a informação do corte, pode observar-se que os pixéis de terra têm valores de brilho inferiores a 75, bastando, assim, construir uma fórmula que assignasse, por exemplo, valor 1 (mar) a todos os pixéis com brilho superior a 75 e valor zero a todos os restantes. 7

8 PARTE II A banda de comprimentos de onda delimitada pela barra a cinzento corresponde à janela atmosférica do infravermelho térmico ou, simplesmente, janela térmica. Tratase de uma banda onde a absorção de radiação pela atmosfera é muito baixa, com excepção de uma pequena zona (próximo de 9 µm) onde se observa uma absorção elevada por parte do ozono. 5.2 Embora as bandas de 11 µm e de 12 µm estejam ambas localizadas numa zona de pequena absorção, a banda de 11 µm apresenta uma absorção bastante menor que a banda de 12 µm; daí a designação de canal limpo para a banda de 11 µm (por apresentar maior transmissividade) e de canal sujo para a banda de 12 µm (por apresentar menor transmissividade). 5.3 Pode-se recorrer ao método de split windows para estimar a temperatura da superfície da água do mar a partir da temperatura de brilho dos canais de 11 µm e de 12 µm. O método de split windows efectua a correcção atmosférica com base na absorção inicial dos canais de 11 µm e de 12 µm, isto é, de dois canais adjacentes com diferentes transmissividades. O método aplica-se 1) a superfícies com emissividade próxima de 1 (caso da água do mar), 2) a bandas com pequena absortância (casos dos canais de 11 µm e de 12 µm, que se situam na janela térmica) e 3) para situações em que a temperatura da superfície, as temperaturas de brilho dos dois canais e a temperatura de brilho da atmosfera sejam próximas. Nestas circunstâncias, linearizado a equação de balanço radiativo para os dois canais é-se conduzido a um sistema de duas equações a duas incógnitas, uma das quais é a temperatura da superfície,, a qual pode ser calculada como função das temperaturas de brilho, e dos canal limpo e do canal sujo, respectivamente: A emissividade,, para um dado comprimento de onda,, é definida como sendo a razão entre a radiância,, emitida por um dado corpo real nesse comprimento de onda e a radiância,, que seria emitida por um corpo negro nesse comprimento de onda à mesma temperatura ; isto é: Tem-se, assim, que a radiância,, emitida por um corpo se relaciona com a sua emissividade e a sua temperatura através da relação: 8

9 6.2 Da lei de conservação da energia resulta que a absortividade,, a reflectividade,, e a transmissividade,, estão relacionadas através da expressão: donde resulta que a absortividade da superfície cromada será tal que: Ora, tendo em conta as reflexões (no infravermelho térmico) que se podem observar na figura, pode concluir-se que a superfície cromada tem um valor elevado de reflectividade; por outro lado, tratando-se de uma superfície metálica, a sua transmissividade será também elevada. Tem-se assim que terá um valor elevado pelo que, tendo em conta a relação acima, terá um valor baixo. Por outro lado, tendo em conta a relação de Kirchhoff, vem que, o que permite concluir que, na região térmica, a superfície cromada do chuveiro terá uma emissividade baixa. 6.3 Tendo em conta o que ficou dito na alínea 6.1 e admitindo que a água é um corpo negro, isto é,, tem-se que a radiância,, emitida pela água do chuveiro segue a relação: onde λ é o comprimento de onda, T é a temperatura absoluta da água e é a função de Planck. A temperatura da água pode, por conseguinte, ser obtida por inversão da função de Planck, isto é, através da relação: onde é a função inversa de Planck A refletância,, é definida como sendo a razão entre a radiância reflectida por uma dada superfície,, para um dado comprimento de onda,, e a radiância,, incidente para esse comprimento de onda, isto é: 7.2 Os baixos valores de refletância na banda dos azuis-claro ( nm) e na cor vermelha (~ 675 nm) devem-se à forte absorção de radiação nessas bandas pela clorofila. 7.3 Conforme se pode observar na figura, o canal 555 nm apresenta uma sensibilidade muito elevada à concentração de algas, a qual contrasta com a menor sensibilidade do canal 490 nm. Assim, uma forma de estimar a concentração de clorofila oceânica será através de indicadores baseados na razão entre a refletância naqueles dois canais, isto é: [ ] [ ] onde [ ] é a concentração a estimar e X e Y são constantes a derivar empiricamente. 9

10 Uma classificação não supervisada é aquela em que a repartição de pixéis em clusters é efectuada exclusivamente com base em critérios estatísticos e onde, ao contrário do que se passa numa classificação supervisada, não se tem em consideração qualquer conhecimento a priori acerca de pertenças de determinados pixéis a determinados clusters. Um método clássico de classificação não supervisada é o denominado método de k-means. 8.2 O centróide de um dado cluster é o ponto que resulta do cálculo da média aritmética dos vectores posição de cada ponto que pertence a esse cluster. No caso em consideração, dada a muito elevada absortividade da água no infravermelho próximo, que contrasta com os valores de reflectividade muito mais elevados característicos das terras emersas, os clusters associados a mar apresentarão centróides com reflectividade muito baixa, enquanto os clusters associados a terra apresentarão centróides com reflectividade relativamente mais elevada. 8.3 Uma vez identificados os clusters característicos de mar e de terra, basta construir uma fórmula que, por exemplo, assigne o valor 1 a todos os pixéis que pertençam aos clusters associados a mar e o valor 0 aos restantes pixéis, associados a terra. 10