DETEÇÃO REMOTA 2011/2012 Frequência 23 de Novembro de 2011

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1 DETEÇÃO REMOTA 2011/2012 Frequência 23 de Novembro de Na figura ao lado encontra-se representada a fração de luz dispersa em função do comprimento de onda. Note que, no eixo dos xx, se encontram referenciados os comprimentos de onda que correspondem ao azul (B), ao verde (G), ao amarelo (Y), ao laranja (O) e ao vermelho (R). 1.1 De que tipo de dispersão se trata? Justifique a sua resposta. 1.2 Para que tipo de partículas se deve ter em conta a dispersão em causa? 1.3 Com base nos resultados da figura, explique o azul do céu e o vermelho do pôr-do-sol. 2 A figura representa a absorção, em função do comprimento de onda, por diversos gases que compõem a atmosfera, bem como a absorção total, que resulta da contribuição dos diversos componentes (painel inferior). 2.1 Quais os gases responsáveis pela absorção abaixo de 0.3 µm? Que tipo de radiação é absorvida? 2.2 No intervalo µm a absorção pela atmosfera é intensa ou fraca? A que tipo de radiação corresponde este intervalo? 2.3 Onde se localiza a chamada janela térmica? Qual a sua utilidade em deteção remota? 1

2 3 No diagrama abaixo apresenta-se, no espaço Red-NIR, o percurso ao longo do ciclo vegetativo de dois pixéis com a mesma cultura: Um pixel A cujo caminho é [A1-A2-A3-A4-A5-A6]; Um pixel B cujo caminho é [B1-B2-B3-B4-B5-B6]. 3.1 Sabendo que um dos pixéis corresponde a uma cultura plantada num solo claro e o outro pixel a essa mesma cultura plantada num solo escuro, a quais tipos de solo correspondem o pixel A e o pixel B? Justifique. 3.2.Qual a razão por que se tem uma coincidência dos pixéis A e B a partir da fase 4? 3.3 O que representa a linha que une os pontos A1 e B1? 3.4 Dê um exemplo de um índice que seja sensível a deslocamentos perpendiculares à linha que une os pontos A1 e B1. Qual a utilidade de um tal índice? 4 Nas figuras em baixo encontram-se representados valores de pixéis em três canais, assinalando as curvas fechadas superfícies queimadas previamente identificadas. 4.1 Faça corresponder as letras X, Y e Z aos canais Red (~0.6 µm), NIR (~0.9 µm) e MIR (~4 µm). Justifique a sua resposta. 4.2 Se pretendesse desenvolver um índice para discriminar área queimadas, que canais escolheria? Justifique a sua resposta. 5 A figura em baixo representa três histogramas obtidos a partir da mesma imagem sendo que um deles foi obtido por estiramento linear (linear streching), o outro por equalização e o terceiro por estiramento gaussiano (gaussian stretching). 5.1 Explique em que consiste o estiramento linear. 5.2 Faça corresponder as letras X, Y e Z a cada um dos processos de estiramento. Justifique a sua resposta. 2

3 DETEÇÃO REMOTA 2011/2012 Frequência 23 de Novembro de 2011 COTAÇÃO 1. 3 valores valores valores valores 2. 3 valores valores valores valores 3. 6 valores valores valores valores 5. 4 valores valores valores 20 valores RESOLUÇÃO Trata-se da dispersão de Rayleigh, a qual se caracteriza por a intensidade da radiação dispersa variar na razão inversa da quarta potência do comprimento de onda, isto é,. Esta variação está patente na figura, onde se observa um decaimento acentuado da intensidade da zona do azul para a zona do vermelho, 1.2 A dispersão de Rayleigh 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. 3

4 1.3 Quando se olha para cima num dia de céu limpo, os nossos 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 se olha para o sol poente, a radiação que chega aos 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 A absorção abaixo de 0.3 µm é devida ao oxigénio (O 2 ) e ao ozono (O 3 ) e afeta a radiação γ (< 0.01 nm), a radiação X (~ 0.01 to 10 nm) e o ultravioleta duro (~ µm). Enquanto a radiação γ, a radiação X e a radiação ultravioleta inferior a 0.2 µm são sobretudo absorvidas pelo oxigénio nas altas camadas da atmosfera, a radiação ultravioleta entre 0.2 e 0.3 µm é absorvida pela camada de ozono situada a km de altitude. 2.2 A absorção é fraca e corresponde à chamada janela óptica da atmosfera, a qual inclui o ultra-violeta C (~ 0.3 µm), o visível (~ µm) e o infravermelho próximo (~ 0.8 µm). 2.3 A janela térmica (ou janela do infravermelho) localiza-se aproximadamente entre 8 e 14 µm e corresponde a uma região do infravermelho de reduzida absorção pela atmosfera. Trata-se da região do espectro do infravermelho que é utilizável para a observação da superfície do Globo a partir do espaço De uma forma geral, os solos caracterizam-se por apresentar reflectividades de magnitude semelhante no vermelho (Red) e no infravermelho próximo (NIR), tendo-se para os solos claros valores relativamente mais elevados de refletividade no Red e no NIR e para os solos escuros valores relativamente menos elevados. Por outro lado, no início do ciclo vegetativo, a fracção de solo coberto pela vegetação é muito reduzida, razão por que as características radiativas do pixel refletem sobretudo as características do solo. Assim, tendo em conta as refletividades no início do ciclo vegetativo (posições A1 e B1), imediatamente se conclui que o pixel A corresponde a um solo escuro e o pixel B a um solo claro. 3.2 Os solos e as superfícies naturais tendem a refletir com intensidade semelhante no Red e no NIR, consistindo exceção a vegetação verde cujos pigmentos fotossintéticos tendem a absorver fortemente o Red, enquanto as folhas se deixam 4

5 atravessar ou tendem a reflectir o NIR. Durante as fases 4, 5 e 6, que correspondem à fase de maior actividade fotossintética, a vegetação tenderá a apresentar valores baixos de refletividade no Red e valores elevados de refletividade no NIR. Acresce que é durante esta fase que a vegetação é mais densa, isto é, se tem uma maior fração de coberto vegetal, pelo que se terá igualmente uma contribuição muito fraca do solo no background. Assim, será de esperar que as assinaturas espetrais dos pixéis A e B sejam dominadas pela contribuição da vegetação, que é a mesma para os dois pixéis em causa. 3.3 A linha que une os pontos A1 e B1 é a denominada linha de solo e traduz a existência, para os diversos tipos de solo, de uma relação linear entre as refletividade no Red e no NIR. 3.4 O denominado Índice de Vegetação por Diferenças Normalizadas (NDVI), o qual é dado pele relação: Conforme se pode ver na figura ao lado, o NDVI apresenta isolinhas quase perpendiculares à deslocação (indicada pela seta) perpendicular à linha que une os pontos A1 e B1. Tais deslocamentos estão associados a um aumento de fração de coberto vegetal, pelo que o índice será sensível a tais deslocamentos e constituirá, por isso, um bom indicador da presença de vegetação verde A imagem no canal X apresenta elevado contraste entre as zonas queimados, mais claras e, portanto, com elevada refletividade, e as zonas verdes, mais escuras e com menor refletividade. Ora um tal contraste é característico do MIR, em particular quando a componente refletida foi previamente isolada do sinal que chega ao satélite e é composto pelas componentes refletida e emitida. Por sua vez, no caso da imagem no canal Z observa-se um contraste oposto ao anterior, tendo-se que as zonas queimadas se apresentam mais escuras do que as zonas verdes, isto é, tem-se uma maior refletividade nas zonas vegetadas. Ora, um tal contraste é característico do NIR. Finalmente, no caso da imagem no canal Y, há uma quase ausência de contraste entre áreas queimadas e não queimadas, característica do Red na medida em que ambas as superfícies refletem pouco no Red e se apresentam, por isso, escuras. 5

6 4.2 Escolheria os canais do NIR e do MIR pois são os canais que apresentam contraste entre as áreas queimadas e verdes. Um exemplo de índice é o VI20, o qual é formalmente idêntico ao NDVI, ocupando o MIR o lugar do Red: O estiramento consiste na transformação dos Valores de Contagem (VC) da imagem para o intervalo [0, 255] da escala de cinzentos do ecrã. No caso do estiramento linear a transformação (cf. figura) consiste em assignar o valor 0 da escala de cinzentos do ecrã ao VC mínimo da imagem, em assignar o valor 255 ao valor VC máximo e em obter por interpolação linear os restantes valores intermédios da escala de cinzentos do ecrã. Este procedimento leva a que o histograma de valores de brilho do ecrã tenha a mesma forma que o histograma original de VC. 5.2 A equalização consiste numa transformação dos VC que leve a que o histograma da escala de cinzentos de ecrã apresente valores semelhantes de frequência para todos os valores de 0 a 255. Este procedimento tende a levar a que os valores dominantes na imagem passem a apresentar um contraste mais elevado na medida em que o processo de equalização do histograma conduz a um espalhamento dos VC mais frequentes (isto é, aqueles a que correspondem os picos do histograma). Por outro lado, a equalização tende a levar a uma redução do contraste nas regiões muito claras e muito escuras da imagem, caso o histograma de VC tenha características gaussianas. No caso do estiramento gaussiano, a transformação leva a que o histograma da escala de cinzentos do ecrã apresente uma distribuição normal, a qual é não enviesada e apresenta as frequências menos elevadas nos extremos. O estiramento gaussiano é, assim, especialmente útil quando o histograma original de VC é enviesado, tendo-se, nestes casos, que o estiramento linear leva a imagens demasiado claras ou demasiado escuras. Acresce que o estiramento gaussiano impede a saturação, ao mesmo tempo que aumenta o contraste na imagem em geral e realça o contraste nas caudas do histograma. Pelo que ficou dito, a Figura X foi obtida por estiramento gaussiano, a Figura Y por equalização e a Figura Z por estiramento linear. 6