CST- 312: Padrões e Processos em Dinâmica de Uso e Cobertura da Terra. 1 Detecção de Mudanças Sidnei J. S. Sant’Anna.

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1 CST- 312: Padrões e Processos em Dinâmica de Uso e Cobertura da Terra. 1 Detecção de Mudanças Sidnei J. S. Sant’Anna

2 CST- 312: Padrões e Processos em Dinâmica de Uso e Cobertura da Terra. 2 Artigo: Digital Change Detection Methods in Ecosystem Monitoring: a Review Coppin,P.; Jonckheere,I.; Nackaerts, K. & Muys, B. International Journal of Remote Sensing, vol.25,n.9, 2004, p.1565-1596. Apresentação: Detection of Changes Using Remote Sensing: an Overview of Principles and Applications Théau, J. Geo-Spatial and Range Sciences Conference, 2006 Detecção de Mudanças

3 CST- 312: Padrões e Processos em Dinâmica de Uso e Cobertura da Terra. 3  INTRODUÇÃO Detecção de Mudanças  SELEÇÃO DE IMAGENS  PRÉ-PROCESSAMENTO DOS DADOS  TÉCNICAS E MÉTODOS DE DETECÇÃO DE MUDANÇAS

4 CST- 312: Padrões e Processos em Dinâmica de Uso e Cobertura da Terra. 4 DEFINIÇÃO ???? Introdução

5 CST- 312: Padrões e Processos em Dinâmica de Uso e Cobertura da Terra. 5 Processo de identificação de diferenças (mudanças) no estado de um determinado objeto ou fenômeno, o qual é observado em diferentes épocas (tempo) Introdução Definição: Singh, 1989

6 CST- 312: Padrões e Processos em Dinâmica de Uso e Cobertura da Terra. 6 Há diferença entre conversão e modificação Introdução Taxa de Mudanças Drástica e/ou Abrupta Sutil e/ou Gradual (Fogo, Desmatamento) (Acúmulo de biomassa, Exploração Seletiva) Mudança no tipo de cobertura Altera a característica da cobertura, sem modificar a sua classificação

7 CST- 312: Padrões e Processos em Dinâmica de Uso e Cobertura da Terra. 7  detectar as mudanças ocorridas Introdução Aspectos principais na aplicação da detecção de mudanças:  identificar a natureza das mudanças  medir a extensão da mudança  definir o padrão espacial da mudança (Macleod & Congalton, 1987)

8 CST- 312: Padrões e Processos em Dinâmica de Uso e Cobertura da Terra. 8  Mudanças no uso e ocupação do solo Introdução Detecção de mudanças é usada para vários objetivos:  Mudanças sazonais na produção de pasto  Desflorestamento  Monitoramento da exploração em florestas  Monitoramento de desastres  Detecção de stress em culturas  Entre outras

9 CST- 312: Padrões e Processos em Dinâmica de Uso e Cobertura da Terra. 9 Alteração nos valores de radiância podem indicar uma alteração na cobertura Introdução IDÉIA BÁSICA:

10 CST- 312: Padrões e Processos em Dinâmica de Uso e Cobertura da Terra. 10 Condições atmosféricas Introdução CUIDADOS!!!! Ângulo solar Fenologia da vegetação (Dados Ópticos)

11 CST- 312: Padrões e Processos em Dinâmica de Uso e Cobertura da Terra. 11 Considerando a ausência destes fatores, qual seria a forma mais intuitiva de analisar (detectar) mudanças em imagens de S.R.??? Introdução QUESTÃO:

12 CST- 312: Padrões e Processos em Dinâmica de Uso e Cobertura da Terra. 12  Seleção das Imagens Introdução As três principais etapas no processo de detecção de mudanças são:  Pré-Processamento do Dados  Seleção do método a ser empregado Ainda existem grandes desafios a serem vencidos nestas etapas

13 CST- 312: Padrões e Processos em Dinâmica de Uso e Cobertura da Terra. 13  Período de Aquisição Seleção de Imagens  Intervalo de Aquisição  Escolha do(s) Sensor(es)

14 CST- 312: Padrões e Processos em Dinâmica de Uso e Cobertura da Terra. 14  diferentes condições climáticas Seleção de Imagens (Período de Aquisição)  Imagens adquiridas em diferentes datas, geralmente, contêm diferenças em suas radiâncias:  diferentes fenologias  diferentes ângulos solares  A escolha das datas de aquisição é uma etapa muito crítica uma vez que as discrepâncias nas reflectâncias por estes fatores devem ser minimizados

15 CST- 312: Padrões e Processos em Dinâmica de Uso e Cobertura da Terra. 15 Seleção de Imagens (Período de Aquisição)  Datas de aniversário (calendário) são geralmente utilizadas, pois nelas as discrepâncias na reflectância são mínimas  A estação do verão é normalmente usada (uma das datas) para estudos de vegetação devido a relativa estabilidade fenológica

16 CST- 312: Padrões e Processos em Dinâmica de Uso e Cobertura da Terra. 16 Seleção de Imagens (Período de Aquisição)  Diferenças fenológicas interanuais podem ser uma grande fonte de erro na detecção de mudanças  A disponibilidade de imagens úteis (sem problemas, nuvens) pode ser um fator limitante para a escolha das imagens (Ano quente e seco X Ano frio e chuvoso)

17 CST- 312: Padrões e Processos em Dinâmica de Uso e Cobertura da Terra. 17 Seleção de Imagens (Intervalo de Aquisição)  Mudanças suficientes na radiância devem ser observadas para que se possa detectar mudanças na cobertura  Disponibilidade de imagens  Continuidade da missão (tempo de operação do sensor)

18 CST- 312: Padrões e Processos em Dinâmica de Uso e Cobertura da Terra. 18 Seleção de Imagens (Escolha do(s) Sensor(es))  Cobertura Espacial  Disponibilidade de Dados  Custo Médio  Resolução Espacial Espectral Temporal

19 CST- 312: Padrões e Processos em Dinâmica de Uso e Cobertura da Terra. 19 Seleção de Imagens (Escolha do(s) Sensor(es)) 2330 km 170x183 km60x60 km 16,5x16,5 km 250-1000 m30 m2,44 m10 m 2 dias16 dias26 dias3 dias U$ 0,02/km 2 U$ 0,94/km 2 U$ 22/km 2 Grátis Cobertura Espacial Resolução Espacial Frequência Revisita Custo Médio MODISETM+SPOT5QuickBird

20 CST- 312: Padrões e Processos em Dinâmica de Uso e Cobertura da Terra. 20 Por que é importante??? Pré-Processamento QUESTÃO:

21 CST- 312: Padrões e Processos em Dinâmica de Uso e Cobertura da Terra. 21 Uso de Filtragem Espacial é aconselhável??? Pré-Processamento QUESTÃO:

22 CST- 312: Padrões e Processos em Dinâmica de Uso e Cobertura da Terra. 22 Pré-Processamento Detecção de mudanças é fortemente dependente Geométrica Radiométrica  Correção Absoluta Relativa  Calibração

23 CST- 312: Padrões e Processos em Dinâmica de Uso e Cobertura da Terra. 23 Pré-Processamento (Correção Geométrica)  As imagens de S.R. são normalmente adquiridas contendo distorções geométricas, devido:  Perspectiva do sensor  Movimento do sistema imageador  Movimento da plataforma  Curvatura e rotação da Terra

24 CST- 312: Padrões e Processos em Dinâmica de Uso e Cobertura da Terra. 24 Pré-Processamento (Correção Geométrica)  O registro das imagens deve possuir um ÓTIMA precisão Erro Menor que 1 Pixel são aceitáveis Erro  Townshen et al., 1992 afirmam que, no registro: 1 Pixel 0,2 Pixels 50% Erro na interpretação da mudança 10%

25 CST- 312: Padrões e Processos em Dinâmica de Uso e Cobertura da Terra. 25 Pré-Processamento (Correção Radiométrica)  Correção dos efeitos da atmosfera  Métodos de correção  Variações em Condições de iluminação solar Podem acarretar variações na radiância do alvo, SEM significar uma mudança Características físicas da atmosfera Desempenho do sensor  Transferência Radiativa  Subtração de Corpo Negro  Normalização Radiométrica Relativa

26 CST- 312: Padrões e Processos em Dinâmica de Uso e Cobertura da Terra. 26  Comparação de Classificação Técnicas de Detecção  Análise por Composição  Diferença entre Imagens  Razão entre Imagens  Transformação Linear (PCA)  Análise do Vetor de Mudanças  Regressão Linear  Análise MultiTemporal e Espectral de Mistura  Análise MultiDimensional Temporal de Atributos Espectrais  Técnicas Híbridas Rotação Radiométrica Controlada por Eixo de Não-Mudança - RCEN

27 CST- 312: Padrões e Processos em Dinâmica de Uso e Cobertura da Terra. 27 Análise por Composição  Baseado numa análise simples de uma composição de dados de duas datas distintas  Classificações supervisionadas e não supervisionadas são utilizadas neste tipo de análise  Espera-se que classes onde ocorrem mudanças apresentem diferenças estatísticas significativas  A interpretação é complexa e requer um bom conhecimento da área de estudos

28 CST- 312: Padrões e Processos em Dinâmica de Uso e Cobertura da Terra. 28 Diferença entre Imagens Mapa de Mudanças = - 100 10 90 20 30 150 10 50 70 20 32 50 Limiar = |5| É ou não mudança ???  Detecção de Mudança Abruptas Problema: Limiar para a decisão da ocorrência de mudança  Índices de Vegetação (NDVI, SAVI, etc) -50 0 0 20 0 -2

29 CST- 312: Padrões e Processos em Dinâmica de Uso e Cobertura da Terra. 29 Razão entre Imagens Mapa de Mudanças = ÷ 100 10 90 20 30 200 10 50 70 20 40 50 Limiar = 0,7 É ou não mudança ???  Detecção de Mudança Abruptas Problema: Limiar para a decisão da ocorrência de mudança  Índices de Vegetação (NDVI, SAVI, etc) 0,5 1 1 1,5 1 0,75

30 CST- 312: Padrões e Processos em Dinâmica de Uso e Cobertura da Terra. 30 Técnica de Detecção O cálculo da correlação linear entre imagens poderia ser utilizado para a detecção de mudanças????

31 CST- 312: Padrões e Processos em Dinâmica de Uso e Cobertura da Terra. 31 Técnica de Detecção Mudanças Baixa correlação

32 CST- 312: Padrões e Processos em Dinâmica de Uso e Cobertura da Terra. 32 Análise de Componentes Principais (PCA)  Após a aplicação da PCA  Transformação linear dos dados mais comumente utilizada  Redução da dimensionalidade dos dados  Em estudos multitemporais, após a aplicação da PCA o conjunto de dados é tratado a partir de um único dado (uma PC) a informação comum a todas as bandas é mapeada na 1 a componente (áreas não mudadas) a informação que é comum a apenas uma dada banda é mapeada em outras componentes (áreas mudadas)  Requer um bom conhecimento da área de estudo

33 CST- 312: Padrões e Processos em Dinâmica de Uso e Cobertura da Terra. 33 Análise de Componentes Principais (PCA) ruído associado às diferenças atmosférica  Atenção especial já que as radiometrias são convertidas em scores, não tendo significado físico no terreno  Em geral, dispensa a necessidade de correção geométrica Data1 Data2 PC1 PC2 PC1 PC2 últimas componentes

34 CST- 312: Padrões e Processos em Dinâmica de Uso e Cobertura da Terra. 34 RCEN  Método alternativo à PCA Idéia:  Maior controle do ângulo de rotação  Menor complexidade computacional  Interpretabilidade mais fácil Data1 Data2 45 o Eixo de Não-Mudança

35 CST- 312: Padrões e Processos em Dinâmica de Uso e Cobertura da Terra. 35 Data1 RCEN Data2 Regressão Linear Data2 = m Data1 + D Data1 Data2 Θ=arctg(m) Rotação [R] Res = Data1 cosθ + Data2 senθ Data1 Data2 Res Det Det = -Data1 senθ + Data2 cosθ [R] = cosθ senθ -senθ cosθ Eixo de Não-Mudança

36 CST- 312: Padrões e Processos em Dinâmica de Uso e Cobertura da Terra. 36 Data1 Regressão Linear Data2 Regressão Linear Data2 = m Data1 + D Data1 Data2 Θ=arctg(m)

37 CST- 312: Padrões e Processos em Dinâmica de Uso e Cobertura da Terra. 37 Banda1 Vetor de Mudanças Existência de Mudança Banda2 Data2 Data1 Buffer Não há Mudança Banda1 Banda2 Data2 Data1 x1 Θ x2 y1 y2 R Banda1 Banda2 Data2 Data1 Buffer (Intensidade da mudança ) Tipo de mudança Θ = arctg[(y2-y1)/(x2-x1)]

38 CST- 312: Padrões e Processos em Dinâmica de Uso e Cobertura da Terra. 38 Aquisição de Imagens (2001 e 2002) Vetor de Mudanças Registro Imagens Atenuação Atmosférica Retificação Radiométrica Geração das Imagens Fração (solo, sombra e vegetação) Aplicação da Técnica de Vetor de Mudanças Imagem Magnitude Imagem Detecção de Mudanças Imagem Angular Classificação Mapa da Dinâmica da Cobertura Vegetal e Uso da Terra (2001-2002) Metodologia de Patricia G. Silva (2003) Detecção de Mudanças em Áreas de Florestas Tropicais sob Exploração Madereira Através da Técnica de Análise de Vetor de Mudanças

39 CST- 312: Padrões e Processos em Dinâmica de Uso e Cobertura da Terra. 39 Análise Qualitativa conversão abruptasecular modificação progressivainteranual conversão modificação abrupta progressiva interanual secular abruptasecular Classificação Composição Diferença Razão MudançaVariabilidade Algoritmo PCA Vetor de Mudanças conversão conversão modificação Mudança abrupta progressiva interanual secular