Sensoriamento remoto por RADAR no estudo da vegetação Dra. Tatiana Mora Kuplich

Sensoriamento remoto por RADAR no estudo da vegetação Dra. Tatiana Mora Kuplich tatiana.kuplich@inpe.br

Justificativa Dada a maior disponibilidade de imagens orbitais de radar, algumas gratuitas, a comunidade de sensoriamento remoto (SR) no Brasil tem interesse crescente neste tipo de produto para estudos ambientais. O capítulo sobre radar do livro SR da vegetação, de Ponzoni et al., da Oficina de Textos, suscitou muito interesse e é apresentado aqui, com atualizações. Objetivo Apresentar características básicas dos sensores remotos do tipo radar; caraterísticas da vegetação relevantes para o sensoriamento remoto por radar; algumas aplicações do SR radar para vegetação, principalmente mapeamento e estimativas de biomassa; informações gerais sobre disponibilidade de dados.

Sumário 1. Breve introdução aos dados de radar 2. Parâmetros dos sistemas de radar 2.1 Comprimento de onda e frequência 2.2 Polarização 2.3 Ângulo de incidência 3. Características dos objetos 3.1 Coeficiente de retroespalhamento 3.2 Rugosidade da superfície 3.3 Conteúdo hídrico 4. Mecanismos de espalhamento 5. Polarimetria e interferometria 6. A vegetação em dados de radar 7. Aplicações de imagens de radar para a vegetação 7.1 Discriminação/mapeamento de formações vegetais 7.2 Estimativas de biomassa e inventários florestais 8. Dados SAR orbitais passados e atuais

RADAR = Acrônimo para Radio Detection and Ranging (Detecção e localização por meio de ondas de rádio) Sistemas remotos que emitem e recebem radiação eletromagnética (REM) na faixa das microondas, incluindo comprimentos de onda de 1 mm a 1 metro. RADAR tem três funções básicas: Transmitir REM na faixa das microondas (ondas de rádio) na direção dos objetos; Receber a REM refletida (retroespalhada) pelo objeto; Registrar a força do sinal recebido e o intervalo de tempo entre sua emissão e recepção.

Por que usar radar em sensoriamento remoto? Fonte controlada de radiação eletromagnética - vê através de nuvens, chuva e à noite; Imagens podem ter alta resolução espacial (1-100 m); Diferentes objetos/feições podem ser melhor discriminados com imagens de radar (comparado aos dados ópticos): gelo, ondas; Biomassa, umidade do solo, áreas inundadas; artefatos feitos pelo homem (prédios, construções, etc); estruturas geológicas.

Breve histórico Origens dos estudos com reflexão de ondas de rádio a partir de superfícies metálicas e não-metálicas datam do final do século XIX, com Heinrich Hertz. Primeira patente do uso de radar para detecção de navios em 1904. Grandes avanços nas pesquisas com radar durante a Segunda Guerra Mundial. Sistemas de radar para detecção instalados no chão ou aeronaves. PPI (plan position indicator): um dos primeiros sistemas de detecção. O ruído percebido no sinal de radar era uma imagem do terreno. Uso civil dos dados de radar a partir dos anos 1960. Grandes programas de imageamento por radar no Brasil (RADAM), Colômbia, Panamá, Nigéria, Venezuela, Indonésia... Desenvolvimento das aplicações nas Geociências, até o redirecionamento das pesquisas para a faixa óptica do espectro, com lançamento do ERTS (Landsat 1) em 1972. Capa da revista Weather Bureau Topics, Dezembro 1958, Papai Noel aparece em radar meteorológico Fonte: http://www.photolib.noaa.gov/

Slide do Alberto Moreira/DLR

Sensores passivos (ópticos) x ativos (radar)

REM x atmosfera Raios-X e gama completamente absorvidos na atmosfera Atmosfera praticamente transparente às microondas

Tipos de sistemas radar Radares não-imageadores: escaterômetros e altímetros Radares imageadores: antena lateral (SLAR) ou rotatória. Os SLAR (Side Looking Airborne Radar) incluem : RAR (radar de abertura real, as vezes denominado apenas SLAR) SAR (Synthetic Aperture Radar radar de abertura sintética) Ambos RAR e SAR possuem visada lateral e produzem imagens a partir de uma faixa contínua ao longo da trajetória do radar. Para o RAR a resolução espacial é diferente nas direções paralela (azimutal ou along track) e perpendicular à trajetória (range, cross track ou radial).

Geometria de aquisição Geometria de aquisição e imageamento de um radar é diferente dos sistemas ópticos Geometria de visada lateral (side-looking) típica dos sistemas radar (avião ou satélite) Range (D) => dimensões across-track, perpendiculares à linha-de-vôo Azimute (E) => dimensões alongtrack, paralelas à linha de voo. Determinada pela largura do feixe, em outras palavras pelo tamanho da antena.

Geometria de aquisição GEOMETRIA DE AQUISIÇÃO

Geometria de aquisição e resolução espacial do rar Largura do feixe em azimute, determinada pelo tamanho da antena Resolução em slant range não possui os termos dependentes do ângulo de visada C=3x10 8 m/s Fonte: Trevett 1986, p.29 range resolution = resolução radial

Geometria de aquisição e resolução espacial do rar SAR Radar de abertura sintética Resolução em azimute independe da largura do pulso e é aproximadamente igual à metade do tamanho da antena Compressão dos pulsos Efeito Doppler (deslocamento do radar) e histórico de mudanças de fase Simulação de antena centenas de vezes maior que seu tamanho real Fonte: Jensen 2000

O que o radar mede? A energia refletida retroespalhada em direção ao radar é relacionada à seção transversal radar (σ), que, expressa por área, é o coeficiente de retroespalhamento ou sigma zero (σ 0 ). σ 0 (db) = 10.log 10 *(REM recebida pelo sensor/rem refletida isotropicamente) Nos dados SAR, além da amplitude (relacionada ao σ 0 ), a fase do sinal recebido também é registrada. O sinal que chega ao radar pode ser representado por um número complexo, cuja parte real é a amplitude e a parte imaginária é a fase.

Ruído inerente das imagens sar: speckle

SPECKLE INTERFERÊNCIA CONSTRUTIVA OU DESTRUTIVA NA FASE DO RETROESPALHAMEN TO DE VÁRIOS OBJETOS MULTILOOK OU FILTRAGEM REDUZEM SPECKLE

Parâmetros do Sistema SAR Parâmetros SAR (definidos na concepção do sensor) que influenciam o sinal de retorno (retroespalhamento backscattering - eco) Frequência Polarização Ângulo de incidência

Frequência Frequência é o número de períodos ou ciclos completos por segundo (1 ciclo por segundo = 1 Hz) Comprimento de Onda é a distância percorrida durante 1 ciclo da onda y y P P x x v (Velocidade ) 4 ciclos/segundo 1 ciclo/segundo 10 6 Hertz = 1 MegaHertz 10 9 Hertz = 1 GigaHertz

Slide do Dr Alberto Moreira/DLR Slide da Dra Thuy Le Toan/CESBIO Quanto maior a freqüência, maior o nível de potência requerida pelo SAR

O comprimento de onda ( ) deve ser comparável com tamanho das feições que se deseja discriminar Quanto maior o comprimento de onda ( ), maior será a penetração no material

Imagem SIR-C/X-SAR de Rondônia, Outubro 1994

Slide da Dra Corina Freitas/INPE Polarização A radiação eletromagnética que se propaga possui 3 campos vetoriais a ela associados Campo Elétrico (E) x E Direção de propagação k Campo Magnético (H) Vetor de Propagação (k) y z Para ondas planas e uniformes estes 3 vetores são mutuamente ortogonais H A polarização de uma onda eletromagnética, em geral, é definida pela figura geométrica que o vetor campo elétrico descreve no espaço Figura Geométrica = Elipse Círculo Linha Polarização Elíptica Polarização Circular Polarização Linear

Slide da Dra Thuy Le Toan/CESBIO

Polarização Os radares imageadores, em geral, trabalham com polarização linear, que pode ser vertical ou horizontal Co-polarização (like ou co-polarised): VV e HH (emite e recebe na mesma polarização) Polarização cruzada (cross-polarised): VH e HV (emite e recebe em polarização distinta)

Polarização As polarizações HH e VV estão mais relacionadas com a rugosidade da superfície (espalhamento superficial); As polarizações cruzadas (HV e VH) estão mais relacionadas com o interior dos objetos (espalhamento volumétrico); Geralmente sinal de retorno mais forte em HH ou VV. Radiação em polarização vertical interage mais fortemente com estruturas verticais. O mesmo é válido para estruturas horizontais e polarização HH. Polarizações múltiplas auxiliam discriminações de feições, como o alinhamento dos objetos em relação ao radar (diferença HH e VV), espalhamento de Bragg para oceanos (VV), etc.

Ângulo De Incidência (θ) θ (teta) é definido entre a linha de visada do radar e uma reta normal à superfície (em relação à Terra). (A) Ângulo de incidência (B) Ângulo de incidência local θ aumenta com aumento da distância Geralmente, quanto maior θ, menor retroespalhamento Maior influência em dados de radar aerotransportados Pode causar distorções nas imagens

Inversão Ângulo De Incidência (θ) Efeitos geométricos/distorções nas imagens Sombra Encurtamento Direção de Visada Encurtamento=foreshortening Inversão=layover Sombra=shadow

Variáveis/características dos objetos Variáveis dos objetos na superfície terrestre que influenciam o sinal de retorno (retroespalhamento backscattering - eco). Rugosidade Constante dielétrica/conteúdo hídrico Geometria Dependentes também dos parâmetros do sensor.

1 Breve intro 2 Parâmetros 3 Carac objetos 4 Mecanismos 5 Pol e interf 6 Veg em SAR 7 Aplic SAR veg 8 Dados SAR Intensidade Rugosidade Influência direta na força do retroespalhamento é dependente da escala de observação. Componente Refletida Componente Retroespalhada Slide Dra Corina Freitas (INPE) Jensen 2000 Rugosidade

Constante dielétrica Características elétricas dos objetos também determinam intensidade do retroespalhamento. A constante dielétrica (outro nome da permitividade complexa (ε c )) é a principal variável usada para descrever a resposta de um meio a um campo elétrico. Constante dielétrica indica refletividade e condutividade de vários materiais. Junto com ângulo de incidência, determina o quanto de energia será refletida, transmitida ou absorvida. Mais água, maior refletividade. A maior parte dos materiais tem a constante dielétrica de 3 a 8 quando secos, enquanto que a água tem esta em torno de 80. A influência da constante dielétrica nas imagens de radar se expressa de 2 formas: (1) Quantidade de água no objeto (mais umidade, mais refletividade, menos retroespalhamento dependendo da estrutura refletora envolvida) (2) Profundidade de penetração (maior comprimento de onda, maior penetração, mas a presença de água pode barrar a radiação)

Geometria Lillesand e Kiefer 1994 h

Mecanismos de interação com objetos a) Reflexão especular b) Reflexão superficial e ou volumétrica c) Reflexão de canto a) Baixo ou nenhum retroespalhamento; b) Médio retroespalhamento (dependendo da rugosidade da superfície); c) Alto retroespalhamento.

Slide Dra Corina Freitas (INPE) Onda Incidente Espalhamento Superficial A interação energia matéria acontece na superfície do alvo Onda Refletida Superfície Lisa Onda Incidente Componentes Retroespalhadas Onda Refletida Onda Incidente Superfície Moderadamente Rugosa Superfície Rugosa Reflexão Especular Reflexão Mista (Especular + Difusa) Reflexão Difusa Onda Incidente Reflexão de Canto (Corner Reflector) Onda Incidente Onda Incidente

Espalhamento Volumétrico A interação energia matéria acontece na superfície e no interior do alvo Onda Incidente Interação com a estrutura Slide Dra Corina Freitas (INPE) Espalhamento Volumétrico O espalhamento volumétrico é decorrente de múltiplas interações dentro de um meio homogêneo. A intensidade do sinal retroespalhado é função: da densidade do meio, geometria e propriedade dielétricas dos elementos espalhadores. Fonte: MDA

Fase nas imagens SAR Os sinais de radar registrados contem amplitude e fase: A diferença de fase entre os sinais de radar enviados e recebidos pode ser estimada: Como cada pixel contem um grande número de espalhadores, a fase nos pixels é distribuída aleatoriamente. A fase de uma única imagem SAR não tem utilidade

Fase nas imagens SAR Se a cena é observada através de duas imagens, assumindo que os espalhadores são os mesmos nos pixels, a diferença de fase entre as duas imagens, pixel a pixel, pode ser explorada. POLARIMETRIA: o radar mede ao mesmo tempo a diferença de fase entre as quatro polarizações HH, HV, VH E VV. Os dados SAR são analisados nas matrizes de espalhamento, que descrevem todas as possíveis combinações de polarizações entre os sinais emitidos e recebidos (retroespalhados). INTERFEROMETRIA: dois radares observam a cena a partir de uma baseline, que pode ser espacial a partir de dois pontos com uma pequena diferença de ângulo ou temporal, a partir de duas passagens do sensor.

Polarimetria Responde à morfologia da superfície; Permite separação de efeitos da umidade e morfologia dos objetos; Discrimina entre: Espalhadores superficiais ; Espalhadores volumétricos ; Espalhadores de canto. As abordagens mais utilizadas em polarimetria são a análise estatística da informação polarimétrica e os modelos que buscam explicar a física dos processos de espalhamento. A decomposição de alvos é um exemplo de modelo que busca a separação das contribuições dos diferentes espalhadores para, desta forma, identificá-los.

1 Breve intro 2 Parâmetros 3 Carac objetos 4 Mecanismos 5 Pol e interf 6 Veg em SAR 7 Aplic SAR veg 8 Dados SAR Decomposição de Freeman-Durden Volumétrico = Double-bounce + R(Db);G(V);B(S) Superficial + Radar Imageador: Princípios e Aplicações GeoAmbientais XIV SBSR Natal, 25-26 abril, 2008

Imagem Polarimétrica RADARSAT do bairro Camobi, em Santa Maria, RS Volume G Superfície B Double Bounce R CRS/INPE 46

INTERFEROMETRIA Como a posição da antena/sensor em relação à Terra é conhecida, a diferença de fase entre os dois registros permite a estimativa da distância entre sensor e objeto, assim como de sua posição e elevação. A diferença de fase é ilustrada em interferogramas, que são usados para a derivação de informação topográfica e geração de Modelos Digitais de Elevação (MDE). A interferometria também se baseia na coerência, uma medida da correlação entre o par interferométrico de imagens SAR complexas. A coerência será alta (próxima de 1) se os objetos permanecerem estáveis no tempo e espaço no par de imagens SAR interferométricas. Os principais efeitos que causam a diminuição da coerência são temporais ou de volume. A combinação das técnicas de Polarimetria e Interferometria tem sido usada para estimativa de altura de dosséis vegetais e geração de MDEs, na abordagem conhecida como Polarimetria Interferométrica ou PolInSAR.

Vegetação Desde a década de 70, imagens SAR são utilizadas para estudos florestais (RADAMBRASIL, PRORADAM Colômbia) Uso de imagens SAR não disseminado como o de imagens óticas por dificuldades de interpretação (registro de informação sobre a superfície de maneira diferente do que a vemos); disponibilidade de diferentes tipos de produtos (imagens de amplitude, fase, diferentes polarizações, ângulos, etc); programas computacionais específicos disponíveis somente nos anos 90. Princípios Arquitetura ou estrutura da vegetação governa o retroespalhamento, assim como o conteúdo hídrico dos componentes vegetais. Retroespalhamento é função do tamanho dos componentes vegetais e do trajeto das microondas, sempre relativo à frequência, polarização e ângulo de incidência.

Mecanismos e componentes do retroespalhamento proveniente de florestas (1) superfície (superficial) e interior (volumétrico) do dossel; (2) direto do tronco; (3) direto do solo; (4) dupla reflexão tronco-solo e; (5) retroespalhamento integrado copa-solo.

Slide Dra Le Toan

Situação de reflexão de canto em florestas inundadas/áreas alagáveis Fonte: Souza (2005), Oceanografia por satélites, Cap. 16, p.236-248.

Mecanismos e componentes do retroespalhamento proveniente de dossel agrícola Slide Dra Le Toan

Slide Dra Le Toan

Imagens SAR para mapeamento da cobertura e tipos florestais Maior parte dos estudos nas florestas boreais e manejadas do Hemisfério Norte; Interpretação visual muito importante; Combinação de bandas, polarizações, ângulos de incidência desejável para melhor discriminação de tipos florestais e demais coberturas; Dados da época seca preferíveis; Se disponíveis, dados polarimétricos e decomposições das matrizes de retroespalhamento desejáveis para melhora da precisão das classificações.

Exemplos de mapeamento da vegetação Área do Projeto Dinâmica Biológica de Fragmentos Florestais INPA e Instituto Smithsoniano (EUA) - Norte de Manaus SIRC 1994 - LVVF CHVF LHVF Mapa de idades de fragmentos florestais Fonte: Kuplich 2006

Kampel, S.A. (2009)

Aplicações SAR no cerrado Imagem JERS-1 Parque Nacional de Brasília Média de DN

Mapeamento de planície de inundação com dados multitemporais SIR-C

Fonte: Smith and Buckley 2010 R=double bounce, G=volumetric scatter, B=surface scatter.

APD=ALL POL DECOMP, APC=ALL IMAGES

SAR para Inventário e estimativa de biomassa florestal Polarização cruzada (HV ou VH) mais adequada para estimativa de biomassa e volume de madeira, assim como maiores comprimentos de onda (banda L ou P); Limitação: saturação na relação σ /biomassa. Abaixo alguns limites publicados: Autor Tipo de floresta Banda Biomassa (T ha -1 ) na qual satura Sader (1987) Latifoliadas e coníferas L 100 Dobson et al. (1992) Duas espécies de Pinus P e L 100-200 Rauste et al. (1994) Coníferas L 100 Imhoff (1995) Coníferas e latifoliadas perenes C 20 L 40 P 100 Rignot et al. (1997) Tropical L 100 Luckman et al. (1997) Tropical L 60 Santos et al. (2002) Contato floresta tropical/cerrado L 60 Quiñones (2002) Tropical C, L e P 150 Santos et al. (2003) Tropical P 100 Magnusson et al. (2007) Coníferas L 120 Solberg et al. (2010) Coníferas X (InSAR) Sem saturação detectada

Banda C Banda L Banda P Fonte: Dobson et al., 1992

Imagem SIR-C banda L Parque Yellowstone, EUA Classificação de níveis de biomassa, de marron (< 4 Ton/ha) até verde (> 35 T/ha)

Diferentes comprimentos de onda para estimativa de biomassa C-Band L-Band Coherence Small dynamic range Variable response to water Variable response to open areas Can be used as indicator of environmental effects effecting the coherence Medium dynamic range Stable response to water Possible to identify agricultural fields Higher frame to frame variations Higher contrast between forest/non forest Higher sensitivity to forest volume Confusion between water and dense forest Frame to frame variations https://saredu.dlr.de/ Fig.: Different wavelengths in biomass estimation and coherence (LE TOAN et al., 2001).

Características de alguns sistemas SAR orbitais Satélite/sensor Lançamento Banda(s) Polarização Resolução espacial (m) SEASAT/SAR 1978 L HH 25 Shuttle/SIR-A 1981 L HH 40 Shuttle/SIR-B 1984 L HH 17-58 ALMAZ-1/SAR 1991 S HH 15-30 ERS-1/-2/SAR 1991/95 C VV 30 JERS-1/SAR 1992 L HH 18 Shuttle/SIR-C/XSAR 1994 C, L e X pol 15-45 RADARSAT/SAR 1995 C HH 8-100 ENVISAT/ASAR 2002 C pol 30-100 ALOS/PALSAR 2006 L pol 10-100 RADARSAT-2/SAR 2007 C pol 3-100 TerraSAR/SAR 2007 X pol 1-18 Kompsat -5/SAR 2013 X pol 1-20 Sentinel-1A e 1B/SAR 2014 C pol 5-40

Slide de Alberto Moreira/DLR

Sentinel 1A e 1B

Considerações finais As formas de aquisição e processamento de dados SAR orbitais estão em constante aperfeiçoamento, assim como suas aplicações em estudos de vegetação. Com a utilização de abordagens baseadas na fase do sinal de radar polarimetria, interferometria e na combinação de ambas - novas técnicas são utilizadas, reduzindo limitações como a estimativa de biomassa florestal e a saturação na relação retroespalhamento/biomassa. Além dessa, o aumento na precisão dos mapas de cobertura vegetal, incluindo classes de degradação florestal e desmatamento, também está entre as aplicações de dados SAR das próximas décadas. Site com tutoriais excelentes: