OCEANOGRAFIA POR SATÉLITES

OCEANOGRAFIA POR SATÉLITES
"Oceanografia por Satélites - as palavras soam incongruentes e, para uma geração de cientistas acostumados às garrafas de Nansen e aos termômetros de inversão, a idéia pode parecer absurda.” Oceanógrafo G. Ewing, em 1964.

Fundamentos de sensoriamento remoto
EMENTA Parte 1 Fundamentos de sensoriamento remoto Técnicas e tipos de sensores usados Sistemas de sensoriamento remoto - Satélites, órbitas, transmissão de dados, recepção e disseminação Escala espacial e temporal da oceanografia por satélite - i.e. fenômenos detectáveis por satélites Processamento de imagem Princípios físicos da transferência da energia radiante Grandezas radiométricas básicas Radiometria básica

Sensoriamento remoto em oceanografia
EMENTA Parte 2 Sensoriamento remoto em oceanografia Sensores passivos Sensores da radiação visível (Cor do Oceano) clorofila, material dissolvido e particulado, etc Sensoriamento da radiação infravermelha temperatura superficial do mar (TSM) Sensores ativos / microonda Sensoriamento da radiação de microonda T, vento, gelo marinho, salinidade Altímetro nível do mar Radar de Abertura Sintética (SAR) ondas internas, frentes, etc

EMENTA Exercícios (avaliação contínua) Uso de ferramentas computacionais para processamento e análise de imagens de satélites ou de produtos derivados do sensoriamento remoto dos oceanos Matlab SeaDAS Bilko e outras ferramentas

Introdução Atualmente Satélites em órbita são utilizados nas áreas de
Comunicação Televisão Meteorologia Sistema de posicionamento global (GPS) Gerenciamento continental Em oceanografia: parâmetros oceânicos obtidos de uma plataforma em órbita ao redor da terra fazem parte da rotina diária de muitas instituições de ensino e pesquisa.

Introdução Atualmente
Embora o uso de sensores a bordo de satélites é relativamente recente em Oceanografia, há muitas vantagens e desvantagens Ambiente oceânico é altamente variável, logo necessita de amostragem de alta freqüência; Dificuldade técnica, como tecnologia de lançamento, posicionamento, sensibilidade dos sensores, etc. Poucos investidores privados; Dependencia de financiamento público e da boa vontade das instituições detentoras de tecnologia para divulgação dos dados de sensoriamento remoto.

Introdução Atualmente
Entretanto, a área de Oceanografia por Satélites cresceu muito nas últimas décadas. Os principais fatores são: - Agências espaciais permitem acesso livre às imagens; - A evolução da internet; - Aumento na taxa de transmissão de dados via internet; - Novas tecnologias digitais; - Microcomputadores mais eficientes. Risco envolvido: Imagens são amplamente disponíveis e, em geral, o oceanógrafo desconhece a forma como foram obtidas e, portanto, não possui visão crítica do produto.

Vantagens Produz valores médios de uma determinada área. Escala sinótica de alta resolução e global Mede a interface oceano / atmosfera Permite análise temporal na dimensão horizontal

Desvantagens A maioria da EEM não penetra na na coluna da água do mar Não podemos observar fenômenos de freqüência alta (superior a um dia). A EEM na frequência do visível e do infravermelhos não atravessam as nuvens As medições obtidas pelo espaço podem não ser precisas. Há necessidade de se medir in situ para validar o produto gerado pelos sensores

Em resumo, a Oceanografia por Satélites é uma disciplina relativamente nova não pode substituir os métodos convencionais de investigação já permitiu: - abrir novos campos de pesquisa; - uma visão totalmente nova dos processos oceânicos; - a descoberta de novos fenômenos oceânicos ou conhecidos somente teoricamente.

SENSORIAMENTO REMOTO Utilização de sensores para aquisição de informações sobre objetos ou fenômenos sem que haja contato direto entre eles Conjunto das atividades relacionadas à aquisição e a análise de dados de sensores remotos

PRINCÍPIOS DE SENSORIAMENTO REMOTO (A) Fonte de energia (B) Interação com a atmosfera (C) Interação com a água do mar (D) Coleta e registro da energia (E) Transmissão, recepção e processamento do sinal (F) Intepretação e análise (G) Aplicações

Sensores Remotos são 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 Energia na grande maioria das vezes é a energia eletromagnética ou radiação eletromagnética Os sensores remotos são, geralmente, sistemas fotográficos ou óptico-eletrônicos capazes de detectar e registrar, sob a forma de imagens ou não, o fluxo de energia radiante refletido ou emitido por objetos distantes

Características da radiação eletromagnética Qualquer fonte de energia eletromagnética é caracterizada pelo seu espectro de emissão, o qual pode ser contínuo ou distribuído em faixas discretas Toda matéria a uma temperatura superior a zero absoluto (0o K ou -273o C) emite radiação eletromagnética, como resultado de suas oscilações atômicas e moleculares A radiação emitida ao incidir sobre a superfície de outra matéria pode ser refletida, absorvida ou transmitida. Quando absorvida, a energia é geralmente reemitida, em diferentes comprimentos de onda

Espectro de Emissão da Radiação Eletromagnética do Corpo Negro

Características da radiação eletromagnética Os processos de emissão, absorção, reflexão e transmissão ocorrem simultaneamente e suas intensidades relativas caracterizam a matéria em investigação. Dependendo das características físicas e químicas da mesma, os quatro processos ocorrem com intensidades diferentes em diferentes regiões do espectro de radiação eletromagnética Esse comportamento espectral das diversas substâncias é denominado assinatura espectral e é utilizado em Sensoriamento Remoto para distinguir diversos materiais entre si ou estimar parâmetros de interesse

Características da radiação eletromagnética Radiação refletida e emitida por corpos terrestres

Equações do maxwell!!!!!!!! ONDA ELETROMAGNÉTICA O campo elétrico e o campo magnético são perpendiculares entre si e ambos oscilam perpendicularmente à direção de propagação da onda, como mostra a figura, onde E é o campo elétrico e M o campo magnético

A velocidade de propagação da onda eletromagnética no vácuo é a velocidade da luz (3 x 108 m/s). O número de ondas que passa por um ponto do espaço num determinado tempo define a freqüência (f) da radiação A onda eletromagnética pode também ser caracterizada pelo comprimento de onda  (lâmbda) que pode ser expresso pela equação: c=f

A faixa de comprimentos de onda ou freqüências em que se pode encontrar a radiação eletromagnética é ilimitada. Este espectro é subdividido em faixas, representando regiões que possuem características peculiares em termos dos processos físicos geradores de energia ou dos mecanismos físicos de detecção desta energia.

Microondas: faixa de 1mm a 30cm ou 3x1011 a 3x109 Hz. Pode-se gerar feixes de radiação eletromagnética altamente concentrados, chamados radares. Por serem pouco atenuados pela atmosfera, ou por nuvens, permitem o uso de sensores de microondas em qualquer condição de tempo

Visível: Radiação capaz de produzir a sensação de visão para o olho humano normal. Pequena variação de comprimento de onda (400 a nm). Importante para o Sensoriamento Remoto, pois imagens obtidas nesta faixa, geralmente, apresentam excelente correlação com a experiência visual do intérprete.

Infravermelho: grande importância para o Sensoriamento Remoto. Engloba radiação com comprimentos de onda de 0,75um a 1,0mm. A radiação I.V. é facilmente absorvida pela maioria das substâncias (efeito de aquecimento).

Outras faixas de frequência Ultravioleta: extensa faixa do espectro (10nm a 400nm). Películas fotográficas são mais sensíveis à radiação ultravioleta do que a luz visível. Uso para detecção de minerais por luminescência e poluição marinha. Forte atenuação atmosférica nesta faixa, se apresenta como um grande obstáculo na sua utilização. Raios X: Faixa de 1Ao a 10nm (1Ao = 10-10m). São gerados, predominantemente, pela parada ou freamento de elétrons de alta energia. Por se constituir de fótons de alta energia, os raios-X são altamente penetrantes, sendo uma poderosa ferramenta em pesquisa sobre a estrutura da matéria. Raios-GAMA: são os raios mais penetrantes das emissões de substâncias radioativas. Não existe, em princípio, limite superior para a freqüência das radiações gama, embora ainda seja encontrada uma faixa superior de freqüência para a radiação conhecida como raios cósmicos

COMPOSIÇÃO DOS SISTEMAS SENSORES Coletor: recebe a energia através de uma lente, espelho, antenas, etc... Detetor: capta a energia coletada de uma determinada faixa do espectro Processador: Processa o sinal registrado (revelador, amplificação, etc...) através do qual se obtém o produto Produto: contém a informação necessária ao usuário

SISTEMAS SENSORES

TIPOS DE SENSORES Podem ser classificados em função da fonte de energia ou em função do tipo de produto que produz

Em função da fonte de energia PASSIVOS: não possuem fonte própria de radiação. Mede radiação solar refletida ou radiação emitida pelos alvos. Ex.: Sistemas fotográficos, sensores de varredura ATIVOS: possuem sua própria fonte de radiação eletromagnética, trabalhando em faixas restritas do espectro. Ex.: Radares

Em função do tipo de produto: Não-imageadores: não geram imagem da superfície sensoriada. Ex.: Espectrorradiômetros (assinatura espectral) e radiômetros (saída em dígitos ou gráficos). Essenciais para aquisição de informações precisas sobre o comportamento espectral dos objetos. Imageadores: obtém-se uma imagem da superfície observada como resultado. Fornecem informações sobre a variação espacial da resposta espectral da superfície observada

Os sistemas não imageadores Bóia radiométrica

Os sistemas imageadores Sistema de quadro: ("framing systems"): adquirem a imagem da cena em sua totalidade num mesmo instante. Ex.: RBV Sistema fotográfico: Fácil de operar. Limitada capacidade de captar a resposta espectral (filmes cobrem somente o espectro entre ultravioleta próximo ao infravermelho distante). Limita-se as horas de sobrevôo e devido a fenômenos atmosféricos não permitem freqüentemente observar o solo a grandes altitudes

Sistema de varredura ("scanning systems"). Ex.: AVHRR, SeaWiFS Os sistemas imageadores Cada linha da imagem é formada pelo sensor ao “varrer” de uma lado para outro ao longo da trajetória do satélite. Um espelho rotativo (A) é utilizado para refletir a radiação oriunda do objeto (superfície do mar) - que pode ser refletida ou emitida - aos detectores (B) que são especialmente projetados para coletar a energia radiante em diferentes bandas (faixas de comprimentos de ondas). Esses detectores medem a energia para cada bandas, como sinal elétrico e, após, são convertidos em dados digitais que são gravados a bordo dos satélites e/ou enviados a Terra, ao longo da trajetória do satélite, para serem captados por antenas receptoras.

SISTEMAS DE AQUISIÇÃO DE IMAGENS Em sensores como o AVHRR e o SeaWiFS, o sinal elétrico detectado em cada um de seus canais, é convertido ainda a bordo do satélite, por um sistema analógico/digital, e a saída enviada para as estações de recepção via telemetria. As imagens destes sensores são amostradas com um número grande de pontos. Além disso, tais imagens têm a característica de serem multi-espectrais, no sentido de constituírem uma coleção de imagens de uma mesma cena, num mesmo instante, obtida por vários sensores com respostas espectrais diferentes.

CARACTERÍSTICAS DO SENSOR REMOTO Banda espectral é o intervalo entre dois comprimentos de onda, no espectro eletromagnético Resolução espacial: mede a menor separação angular ou linear entre dois objetos. Por exemplo, uma resolução de 20 metros implica que objetos distanciados entre si a menos que 20 metros, em geral não serão discriminados pelo sistema

CARACTERÍSTICAS DO SENSOR REMOTO Resolução radiométrica: está associada à sensibilidade do sistema sensor em distinguir dois níveis de intensidade do sinal de retorno. Por exemplo, uma resolução de 10 bits (1024 níveis digitais) é melhor que uma de 8 bits (256 níveis digitais) Resolução espectral: é uma medida da largura das faixas espectrais do sistema sensor. Por exemplo, um sensor que opera na faixa de 0.4 a 0.45 m tem uma resolução espectral menor do que o sensor que opera na faixa de 0.4 a 0.5 um

Análise comparativa dos sensores fotográficos e imageamentos por varredura Imageamento por Imageamento por sens. fotográficos sens. de varredura Resolução geométrica alta média Resolução espectral média alta Repetitividade baixa alta Visão sinóptica baixa alta Base de dados analógica digital

IMAGEM DIGITAL Uma imagem digital pode ser definida por uma função bidimensional, da intensidade de luz refletida ou emitida por uma cena, na forma I(x,y); onde os valores de I representam, a cada coordenada espacial (x,y), a intensidade da imagem nesse ponto. Essa intensidade é representada por um valor inteiro, não-negativo e finito.

IMAGEM DIGITAL A cada ponto imageado pelos sensores, corresponde a uma área mínima denominada "pixel" (picture cell), que deve estar geograficamente identificado, e para o qual são registrados valores digitais relacionados a intensidade de energia refletida em faixas (bandas) bem definidas do espectro eletromagnético O processo de digitalização de uma imagem não-digital ("imagem contínua"), corresponde a uma discretização (ou amostragem) da cena em observação, através da superposição de uma malha hipotética, e uma atribuição de valores inteiros (os níveis de cinza) a cada ponto dessa malha (processo chamado de quantização)

IMAGEM DIGITAL (8-bit)

CARACTERÍSTICAS DA IMAGEM DIGITAL Um número finito de bits para representar a radiância da cena para cada "pixel” Imagem de 2 bits Imagem de 8 bits 28 = 256

CARACTERÍSTICAS DA IMAGEM DIGITAL Radiância é o fluxo radiante que provém de uma fonte, numa determinada direção, por unidade de área. A quantificação da radiância contínua de uma cena é representada pelos níveis de cinza discretos na imagem digital, é dada por um número de bits por "pixel" para produzir um intervalo de radiância. Os sensores da nova geração obtêm normalmente imagens em 8 ou 10 bits (equivalente a 256 ou 1024 níveis digitais).

CARACTERÍSTICAS DA IMAGEM DIGITAL O nível de cinza é representado pela radiância média de uma área relativamente pequena em uma cena. Esta área é determinada pela altitude do sistema sensor a bordo do satélite e outros parâmetros como o IFOV (Instantaneous Field Of View), que é o ângulo formado pela projeção geométrica de um único elemento detetor sobre a superfície da Terra. No caso das imagens multiespectrais, a representação digital é mais complexa, porque para cada coordenada (x,y), haverá um conjunto de valores de nível de cinza. Representa-se então cada "pixel" por um vetor, com tantas dimensões quantas forem as bandas espectrais.

Geometria de imageamento Nadir: ponto, sob a superfície da Terra, diretamente abaixo da posição do satélite Ângulo de iluminação solar: ângulo entre o feixe de radiação emitido pelo sol e a visada do sensor Ângulo de visada: ângulo entre a direção de visada do sensor e o nadir Ângulo de incidência: ângulo entre a direção de visada e a perpendicular à superfície no ponto visado Ângulo de depressão: ângulo entre a direção da trajetória do satélite e a visada do sensor

Geometria do radiômetro ótico DA – área do detector, dispositivo foto sensível gerador do sinal que forma a imagem A – abertura, área por onde penetra a radiação no sensor. Área da lente do sensor 1 e 2 – ângulo sólido de integração da radiação proveniente da reflexão difusa sobre os alvos. 3 ou IFOV – Instantaneos Field Of View, campo de visada instantâneo do sensor. Pixel – Picture Element – Unidade elementar de uma imagem.

SISTEMA DE VARREDURA Ao orbitar a Terra, o sensor capta energia radiante de certas regiões do planeta. A área total varrida é denominada swath. No caso dos sensores dos oceanos, o swath é da ordem de 1000 km de largura.

Características fundamentais das órbitas dos satélites para observações dos oceanos Circular, para garantir que as imagens tomadas em diferentes regiões dos oceanos tivessem a mesma resolução e escala Permitir o imageamento cíclico da superfície do mar, para garantir a observação periódica e repetitiva dos mesmos lugares Ser síncrona com o Sol (heliossíncrono), para que as condições de iluminação da superfície marinha se mantivessem constantes Horário da passagem do satélite deve atender às solicitações de diferentes áreas de aplicação em oceanografia

ÓRBITAS DOS SATÉLITES A trajetória seguida por uma satélite é denominada órbita. A seleção da órbita pode variar em termos de altitude (altura acima da superfície terrestre), sua orientação e rotação em relação ao planeta. Satélites que sempre imageam a mesma porção da Terra são denominados geoestacionários (sua velocidade angular é idêntica a do planeta) e se encontram a altitudes de aprox km. Satélites de comuicação e de previsão do tempo possuem órbita do tipo geoestacionária. A maioria das plataformas orbitais são projetadas para órbitas quasi-polares (inclinação da trajetória relativa a uma linha sul-norte), pois em conjunção com a rotação da Terra permite a cobertura do planeta sobre um certo período de tempo. Essas órbitas são geralmente heliossincrônicas, desta forma os sensores cobrem cada área ao redor do planeta a uma certa hora do dia - denominada hora local do sol (local sun time).

ÓRBITAS DOS SATÉLITES Heliossincrônicas: a trajetória dos satélites estão em sincronia com o movimento da Terra ao redor do Sol ao longo do ano. Observe que o plano formado pela órbita do satélite possue o mesmo ângulo em relação à posição do Sol.

h – altura da órbita do satélite b – semi-eixo menor a – semi-eixo maior Apogeu – afastamento máximo da Terra Perigeu – afastamento mínimo da Terra F1 e F2 – focos da elípse e - excentricidade ÓRBITAS DOS SATÉLITES

órbita geostacionária órbita quasi-polar

órbita quasi-polar A maioria dos satélites estão em órbita quasi-polar. Portanto, quando o satélite dirige-se para o polo norte num lado da Terra, no outro lado vai para o polo sul. Essas órbitas são denominadas ascendente e descendente, respectivamente.

A medida que o satélite orbita, de um polo ao outro, a Terra gira ao redor de sí mesma, dando o aparente movimento do satélite para oeste. Esse movimento relativo permite que o sensor cubra diferentes áreas a cada sucessiva trajetória. A combinação da rotação da Terra com o movimento do satélite permite que a cobertura do planeta possa ser feita. órbita quasi-polar

Os satélites em órbitas do tipo quasi-polar proverão maior número de imagens em áreas de altas latitudes órbita quasi-polar

órbita geostacionária Em 1966, a NASA (National Aeronautics and Space Administration) lançou o satélite geoestacionário Applications Technology Satellite (ATS-1) que passou a fornecer as imagens da Terra a cada meia hora. Pela primeira vez, o desenvolvimento e movimentos dos sistemas meteorológicos (frentes, furacões, etc...) puderam ser monitorados pela comunidade científica. Imagem do ATS-1

órbita geostacionária Os satélites da série GOES (Geostationary Operational Environmental Satellite) é o sucessor a série ATS. Eles foram projetados pela NASA para a National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), de forma a prover ao US National Weather Service imagens da Terra para serem usadas pelos meteorologistas para monitoramento e previsão do tempo. Esses satélites são parte do sistema global de observações meteorológicas, cujos satélites encontram-se distantes aproximadamente de 70° de longitude. Imagem do GOES (Furacão Fran em setembro de 1996)

órbita quasi-polar Imagem SeaWiFS Imagem SeaWiFS da região de quebra de plataforma das Ilhas Malvinas, mostrando alta concentração de cocolitoforideos

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