NOÇÕES BÁSICAS DE SENSORIAMENTO REMOTO.

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1 NOÇÕES BÁSICAS DE SENSORIAMENTO REMOTO

2 Sumário 1. Conceitos básicos 2. Breve histórico
3. Radiação Eletromagnética 4. Interações da REM com alvos 5. Satélites e sensores 6. Imagem digital 7. Exercício

3 1. Conceitos Básicos Conjunto de atividades cujo objetivo é a caracterização de algumas propriedades de alvos, através da detecção, registro e análise do fluxo de energia radiante, por eles refletido ou emitido (Lillesand; Kiefer, 1987). É a utilização de sensores para aquisição de informações sobre objetos ou fenômenos sem que haja contato direto entre eles (Rosa, 1995). Método que utiliza a radiação eletromagnética (REM) como meio de detectar e medir algumas características dos alvos (objetos) de interesse (Wolf; Dewitt, 2000).

4 1. Conceitos Básicos Satélites, câmaras, telescópios e até nossos olhos são ferramentas utilizadas para analisar objetos à distância.

5 2. Breve Histórico A origem do SR vincula-se ao surgimento da fotografia aérea; Assim, a história pode ser divida em dois períodos: 1960- aos dias atuais O SR é fruto de um esforço multidisciplinar que integra os avanços na Matemática, Física, Química, Biologia, Computação, entre outras.

6 2. Breve Histórico As fotografias foram os primeiros produtos do SR 1859: Descoberta processo fotográfico Pouco depois câmaras começaram a ser montadas em balões de ar quente. Tal técnica foi usada durante a Guerra Civil dos EUA (1862) para reconhecimento do território.

7 2. Breve Histórico 1890: Foguetes foram lançados para obter fotos aéreas, mas com baixa resolução; 1909: Inicia-se a foto tomada por aviões e na I Guerra Mundial seu uso intensificou-se; II Guerra Mundial: houve grande desenvolvimento do SR, nesse período: Filme infravermelho para detectar clamuflagem; Novos sensores, como radar;

8 Filme colorido Filme infravermelho Lillesand e Kiefer (1987)

9 2. Breve Histórico Guerra Fria: foram desenvolvidos sensores de alta resolução; 1960: foram obtidas as primeiras fotos tiradas de satélite tripulados; 1960: Lançamento do primeiro satélite meterológico – TIROS; 1972: Lançamento do ERTS-1 – primeiro satélite de recursos terrestre. Mais tarde denominado de LANDSAT – 1;

10 2. Breve Histórico 1973: Brasil recebeu as primeiras imagens do LANDSAT; 1988: Início do Programa CBERS 1999: Lançamento do satélite IKONOS marca o início de uma nova geração de satélites com resolução espacial muito alta. 2003 e 2007: Lançamento do CBERS 2 e CBERS 2B, respectivamente.

11 3. Energia Eletromagnética
É a combinação da energia elétrica e magnética Se propaga no vácuo. Variam com a frequência e com o comprimento de onda.

12 Onda Eletromagnética 3. Energia Eletromagnética Comprimento
Distância entre dois quaisquer equivalentes da onda. Frequência Número de ciclos por unidade de tempo, medida normalmente em Hertz

13 3. Energia Eletromagnética
Comprimento de Onda Eletromagnética Varia de Nanômetros (nm) a Kilômetros (km) Nanômetro (nm) Equivale à 1 bilionésimo do metro 1 nm = = 0, m m Micrômetro (µm) Equivale à 1 milionésimo do metro 1 µm = = 0, m m

14 Espectro Eletromagnético
3. Energia Eletromagnética Espectro Eletromagnético Conjunto de regiões com características peculiares em função dos processos físicos geradores e detectores da energia eletromagnética.

15 3. Energia Eletromagnética
Elementos do Sensoriamento Remoto

16 Janelas Atmosféricas 3. Energia Eletromagnética
Regiões do espectro magnético onde a radiação de determinados comprimentos de onda é pouco absorvida ou atenuada pela atmosfera.

17 4. Interações da REM com os alvos
A REM que atinge a superfície terrestre pode ser: Refletida; Absorvida; Transmitida; Ei() = Energia incidente ER() = Energia Refletida ET() = Energia Transmitida EA() = Energia Absorvida Ei() = ER() + EA() + ET() Interação básica da energia eletromagnética com uma feição da superfície terrestre. (Fonte: Lillesand e Keifer, 1995)

18 Medidas de energia 4. Interações da REM com os alvos Radiância
Quantidade de energia que atinge uma superfície Irradiância Quatidade de energia que reflete de uma superfície Reflectância Razão entre irradiância e radiância

19 Assinatura Espectral 4. Interações da REM com os alvos
Os alvos da superfície terrestre como a vegetação, a água e o solo refletem, absorvem e transmitem radiação eletromagnética em diferentes proporções; Esse comportamento espectral dos diversos alvos é denominado assinatura espectral e é utilizado em SR para distingui-los entre si. Assinaturas espectrais são curvas que mostram a reflectância de cada alvo em diferentes comprimentos de onda

20 4. Interações da REM com os alvos
Assinatura da Vegetação Reflectância até 50% Dependem das propriedades das folhas (estrutura celular, pigmentação, espessura, quantidade de água)

21 4. Interações da REM com os alvos
Assinaturas do Solo exposto Reflectância até 30 a 40% Dependem da mistura de solos, quant. de ferro, etc. Valores baixos nas bandas de absorção de água

22 4. Interações da REM com os alvos
Assinaturas da Água Reflectância até 10% Menor reflectância que a vegetação e os solos Água turva ou suja apresenta maior reflectância

23 5. Satélites e sensores Sistemas Sensores Equipamentos capazes de coletar energia proveniente do objeto, convertê-la em sinal passível de ser registrado e apresentá-lo em forma adequada à extração de informações.

24 Quanto ao nível de coleta de dados
5. Satélites e sensores Quanto ao nível de coleta de dados Orbitais Satélites Sub-orbitais Balões Aeronaves Terrestres Espectro-radiômetros Máquinas fotográficas

25 Quanto à fonte de radiação utilizada
5. Satélites e sensores Quanto à fonte de radiação utilizada Passivos Utiliza-se de fonte de radiação externa. Exemplos: Sol ou outras radiações. Ativos Fonte de radiação própria. Ex.: Flash de máquina fotográfica e Radar.

26 5. Satélites e sensores Não-Varredura Verredura
Registram a radiação refletida de uma cena em sua totalidade e em um mesmo instante. Ex.: Máquinas Fotográficas. Verredura A imagem da cena é formada pela aquisição seqüencial de imagens elementares do terreno. Ex.: Sensores orbitais.

27 5. Satélites e sensores Processos de varredura Espelho Matriz de detetores

28 Sensores Não-Imageadores Espectro-radiômetro
5. Satélites e sensores Sensores Não-Imageadores Espectro-radiômetro Laboratório Campo

29 5. Satélites e sensores LIDAR - Ligth Detection and Ranging Sensor ativo não-imageador que mede distâncias (altitude) dos elementos da superfície por varredura a laser transversal à linha de vôo do sensor; A distância é medida pelo tempo entre o sinal emitido e o retorno de cada pulso laser. Permite gerar como produtos: MDE, MDT e MDS A precisão depende da densidade de pontos medidos

30 5. Satélites e sensores Levantamento com LIDAR

31 5. Satélites e sensores MDE gerado com LIDAR

32 Em câmaras fotográficas
5. Satélites e sensores Sensores Imageadores Olho humano Em câmaras fotográficas CCD (Charge-Coupled Device) Dispositivo eletrônico composto de milhares de pequenas células (detetores) sensíveis à radiação A bordo de satélites artificiais Convencionais: usam filmes Digitais: usam chip CCD

33 5. Satélites e sensores Satélites artificiais de Sensoriamento Remoto LANDSAT SPOT CBERS QUICKBIRD IKONOS

34 LANDSAT (Land Remote Sensing Satellite)
5. Satélites e sensores LANDSAT (Land Remote Sensing Satellite) Responsável: NASA (National Aeronautics and Space Administration) LandSat 1, 2 e 3: Projetos experimentais RBV/MSS LandSat 4 e 5: MSS/TM, LanSat 7: ETM+ LDCM – LansSat Data Continuity Mission: Sensor Termal

35 Polar, Circular e heliossíncrona
5. Satélites e sensores Características gerais dos satélites LANDSAT Satélite LANDSAT 1 LANDSAT 2 LANDSAT 3 LANDSAT 4 LANDSAT 5 LANDSAT 6 LANDSAT 7 Lançamento 27/7/1972 22/1/1975 5/3/1978 16/7/1982 1/3/1984 5/10/1993 15/4/1999 Situação Atual Inativo (06/01/1978) Inativo (25/02/1982) Inativo (31/03/1983) Inativo (1993) em atividade Inativo (05/10/1993) Inativo (2003) Órbita Polar, Circular e heliossíncrona s.d. Altitude 917 km 705 km Inclinação 99º 98,20º 98,3º Tempo de Duração da Órbita 103,27 min 98,20 min 98,9 min Horário de Passagem 9:15 A.M. 9:45 A.M. 10:00 A.M. Período de Revisita 18 dias 16 dias Instrumentos Sensores RBV e MSS MSS e TM ETM ETM+

36 SPOT (Sistéme Probatoire de L’observation de la Terre)
5. Satélites e sensores SPOT (Sistéme Probatoire de L’observation de la Terre) SPOT 4 SPOT 1, 2 e 3 SPOT 5

37 5. Satélites e sensores Características Gerais dos satélites SPOT

38 Sensor HRS(High Resolution Stereoscopic)
5. Satélites e sensores Sensor HRS(High Resolution Stereoscopic) Abordo do SPOT 5 Capacidade de adquirir 2 imagens de uma mesma cena: uma adquirida com 20 graus de inclinação para frente e outra 1 minuto e meio depois com mesma inclinação para trás. Permite gerar imagens 3D

39 Sensores acoplados em satélites artificiais
5. Satélites e sensores Sensores acoplados em satélites artificiais CBERS-2 (China-Brazil Earth Resource Satellite) Características Gerais Massa 1.450 kg Potência do painel solar 1.100 watts Dimensões do painel solar 6,3 x 2,6m Dimensões do corpo 2,0m x 8,3m x 3,3m (em orbita) Tempo de vida 2 anos (confiabilidade de 0,6) Características Orbitais Altitude média 778 km Inclinação 98,5 graus com o equador Revoluções por dia 14 + 9/26 Período  100,26 minutos Cruzamento do equador 10h 30min

40 Montagem do CBERS 2 (Brasil)
LIT - Laboratório de Integração e Testes do INPE

41 Lançamento do CBERS 2: 21 de Outubro de 2003 (China)

42 Seqüência de Lançamento

43 Satélites Não-Geoestacionários
5. Satélites e sensores Satélites Não-Geoestacionários Características das órbitas Acompanham o movimento de translação da Terra Órbita Polar Transversal ao sentido de rotação da Terra Imageiam faixas não sequenciais Órbita LandSat: Leva cerca de 100 minutos, enquanto se desloca 3 mil Km ao longo do equador

44 5. Satélites e sensores Estação de Recepção e Gravação de Dados de Cuiabá Iniciou sua operação em maio de 1973 e grava continuamente dados do País e de quase toda América do Sul. Foi a terceira no mundo a ser instalada para receber os sinais do satélite LANDSAT Os sinais são recebidos através de antenas parabólicas de 10 e 12 metros de diâmetro.

45 Estação Processamento Dados de Cachoeira Paulista (SP)
5. Satélites e sensores Estação Processamento Dados de Cachoeira Paulista (SP) Divisão de Geração de Imagens – DGI Destinada a processar os dados de satélites de sensoriamento remoto Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos – CEPTEC Realiza atividades operacionais e de pesquisa

46 5. Satélites e sensores CBERS-2B Lançado em 19 de setembro de 2007. Possui três sensores a bordo: CCD, WFI e HRC. HRC substitui a câmera IRMSS do CBERS-2

47 6. Imagem digital Imagem Digital È uma matriz onde cada célula representa um pixel. Pixel (Picture Element) Corresponde a uma área mínima, geograficamente identificada, e para a qual são registrados níveis de cinza. Nível de Cinza È um valor inteiro, não-negativo e finito relacionados à intensidade de energia refletida em faixas (bandas) bem definidas do espectro eletromagnético.

48 6. Imagem digital Exemplo de uma imagem digital.

49 Resolução 6. Imagem digital
É uma medida da habilidade que um sistema sensor possui de distinguir alvos ou fenômenos na superfície terrestre Espacial Espectral Radiométrica Temporal

50 6. Imagem digital Resolução Espacial Sensibilidade em distinguir alvos em função da separação angular ou linear entre os mesmos. Exemplo Um sensor com resolução de 20 metros implica que objetos distanciados entre si a menos que 20 metros, em geral não serão discriminados pelo sistema.

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53 6. Imagem digital Resolução espectral Sensibilidade do sensor em distinguir alvos que diferem entre si por refletir diferentes quantidades de energia eletromagnética Exemplo Um sensor que opera em 7 bandas espectrais em maior capacidade de distinguir alvos do que um que opera em apenas 4 bandas.

54 6. Imagem digital Banda Espectral É o intervalo entre dois comprimentos de onda, no espectro eletromagnético. Cada elemento na terra e a água refletem variadas quantidades de energia em comprimento de ondas particulares. Dois elementos que não são distinguíveis em uma banda podem apresentarem muito diferentes em outra banda.

55 6. Imagem digital Bandas Espectrais Figueiredo (2005)

56 Banda 1 Banda 2 Banda 3 Banda 4 Banda 5 Banda 6 Banda 7 Banda 8

57 Sensor TM do satélite LandSat: bandas e aplicações
Imagem digital Sensor TM do satélite LandSat: bandas e aplicações Mapeamento hidrotermal 7 Mapeamento de estresse térmico em plantas Outros mapeamentos térmicos 6 Medidas de umidade da vegetação Diferenciação entre nuvens e neve 5 Levantamento de biomassa Delineamento de corpos d'água 4 Absorção de clorofila Diferenciação de espécies vegetais 3 Reflectância de vegetação verde sadia 2 Mapeamento de águas costeiras Diferenciação entre solo e vegetação Diferenciação entre vegetação coníferas e decídua 1 Principais aplicações Faixa Espectral (um) Banda

58 Sensor HRV do satélite SPOT: bandas e aplicações
6. Imagem digital Sensor HRV do satélite SPOT: bandas e aplicações Estudo de áreas urbanas Pan Levantamento de fitomassa Delineamento de corpos d'água 3 Absorção da clorofila Diferenciação de espécies vegetais Diferenciação de solo e vegetação 2 Reflectância de vegetação verde sadia Mapeamento de águas 1 Principais aplicações Faixa Espectral (um) Banda

59 6. Imagem digital Sensores dos satélites SPOT 1, 2, 3, 4 e 5

60 Sensor AVHRR do satélite NOAA: bandas e aplicações
6. Imagem digital Sensor AVHRR do satélite NOAA: bandas e aplicações Mapeamento noturno e diurno de nuvens. Medição da superfície do mar, lagos e rios. Detecção de erupção vulcânica. Umidade do solo, atributos metereológicos das nuvens. Temperatura da superfície do mar e umidade do solo. (4) (5) 4 e 5 Mapeamento noturno e diurno de nuvens Análise da temperatura (C) da superfície do mar Detecção de pontos quentes (incêndios). 3 Delineamento da superfície da água Definição de condições de fusão de neve e gelo Avaliação da vegetação e monitoramento metereológico (nuvens). 2 Mapeamento diurno de nuvem, gelo e neve. Definição de feições de solo e cobertura vegetal. 1 Principais aplicações Faixa Espectral (um) Banda

61 6. Imagem digital Bandas TM e Assinatura Espectral

62 Resolução radiométrica
6. Imagem digital Resolução radiométrica È a sensibilidade do sistema sensor em distinguir níveis de cinza NC = 2 ^ bit 1 bit (2 NC) 8 bits (256 NC)

63 6. Imagem digital Resolução Temporal Esta associada ao intervalo de tempo que um sensor leva para imagear novamente um mesmo ponto. Varia em função da largura da faixa de imageamento do sensor

64 6. Imagem digital Características de resolução dos sistemas sensores a bordo dos satélites Landsat, SPOT e NOAA. Resolução TM HRV AVHRR Temporal 16 dias 26 dias 2 vezes ao dia Espacial 30 m 120 m (Banda6) 20 m (Banda1 a 3) 10 m (Pan) 1.1 Km (nominal) Radiométrica 8 bits 8 bits (1-3) 6 bits (Pan) 10 bits Espectral Banda 1: Banda 2: Banda 3: Banda 4: Banda 5: Banda 6: Banda 7: Banda 1: Banda 2: Banda 3: Pan: Banda 1: Banda 2: Banda 3: Banda 4: Banda 5:

65 6. Imagem digital Características de resolução dos sistemas sensores a bordo dos satélites CBERS. Características CCD IR-MSS WFI Res. Temporal 26 dias 3 a 5 dias Res. Espacial 20 m 80 m (pan e 4) 260 m Faixa Imageada 113 km 120 Km 890 Km Res. Espectral Banda 1: Banda 2: Banda 3: Banda 4: Pan: Banda 1: Banda 2: Banda 3: Pan: Banda 1: Banda 2:

66 IMAGENS DE BAIXA E MÉDIA RES. ESPACIAL

67 IMAGEM 3D = IMAGEM + MDT

68 IMAGENS DE RADAR

69 IMAGENS INFRA-VERMELHO

70 7. Exercício Baixar imagem de satélite disponibilizada no Catálogo de Imagens do INPE: