Sensoriamento visível ~ a Cor do Oceano

Sensoriamento visível ~ a Cor do Oceano
Oceanografia por Satélite

EMENTA Introdução Grandeza essenciais em radiometria ótica
O efeito da atmosfera Estratégias de correção atmosfera Exemplo do satélite SeaWifs Relação sensoriamento visível /água Refletância de sensoriamento remoto Propriedade óticas da água do mar Propriedade óticas inerentes (IOP) Absorção Espalhamento Propriedade óticas aparente (AOP) Refletância Average cosine Diffuse attenuation coefficient Água Fitoplâncton Material Orgânica Dissolvida – MOD Material Em Suspensão – MÊS Micro-bolhas Case1 / Case2

Sensoriamento visível
De todas as técnicas usada em sensoriamento remoto, os conceitos do sensoriamento visível são os mais entendidos, pois as imagens obtidas nessa faixa , geralmente, apresentam excelente correlação com a experiência visual do intérprete. Visível: Radiação capaz de produzir a sensação de visão para o olho humano normal. Pequena variação de comprimento de onda (400 a 700 nm). Na segunda parte do 20o século a disciplina de ótica marinha desenvolveu-se muito para apoiar o monitoramento de qualidade de água e em particular o monitoramento de produtividade do fitoplâncton através das propriedade óticas da água Absorção Espalhamento Atenuação = Absorção + Espalhamento E sua variações em função da profundidade Foi o desenvolvimento da fotografia em cor mais principalmente do imageamento por aviões e satélites que estimulou a pesquisa sobre a cor dos oceanos Introdução

Grandeza essenciais em radiometria ótica Densidade de fluxo também conhecida por outros dois nomes: Irradiância (E) Emitância (M) é definida como: No caso dos sensores que atuam na faixa da radiação visível, estaremos sempre tratando com a grandeza irradiância pois a fonte de radiação é o sol e não a superfície oceânica.

Grandeza essenciais em radiometria ótica Radiância Considere a geometria onde a normal ao elemento de área dA é inclinado a um ângulo θ em relação à direção de propagação em que observaremos o fluxo radiante da superfície. O fluxo radiante dΦ, que deixa a área dA (ex, radiação que deixa a superfície do oceano), atravessa o ângulo sólido dω, é definido como sendo a radiância L. Assim, Um radiômetro é fabricado para medir: o fluxo radiante Φ de um comprimento de onda determinado que entra no sensor por um cone de direção O radiômetro, por causa de limitação técnicas, mede numa faixa de λ: Tipicamente: 10nm<Δ λ <20nm dA dA.cosθ

Grandeza essenciais em radiometria ótica Radiância e irradiância são relacionados através de dω E(λ) L(λ) Fonte pontual de Luz

Grandeza essenciais em radiometria ótica Irradiância também divide-se em Eu: irradiância ascendente (upward irradiance) Ed: irradiância descendente (downward irradiance) Definido como: ω Eu(λ) L(λ) Ed(λ) Fonte pontual de Luz

O efeito da atmosfera O Sensor recebe radiação visível do oceano e da atmosfera Como aproximadamente 90% do sinal é proveniente da atmosfera, então necessitamos corrigir os efeitos atmosféricos

O efeito da atmosfera A atmosfera que é constituída de ar ~79.5% N2 ~19.5% O2 ~1% outros gazes) Mesmo com um céu azul, a intensidade de um raio de luz solar é significativamente reduzida durante a travessa da atmosfera. A diminuição de intensidade é causada para Espalhamento: (1) das moléculas do ar (espalhamento molecular ou espalhamento Rayleigh – D<<λ). Sua eficiência de espalhamento diminui com o comprimento de onda maior (~1/λ4). Esta é a razão principal para o céu ser azul. (2) da poeira atmosférica (espalhamento particular ou espalhamento Mie - D>>λ) Absorção da vapor de água, oxigênio, ozônio e dióxido de carbono na atmosfera Vapor de água H20 e aerossol absorve a maioria das radiações de comprimentos de onda 400nm<λ<1000nm. Espalhamento e absorção por aerossóis (poeira, poluição atmosférica, etc). O céu geralmente fica amarelado ou branco

O efeito da atmosfera Transmitância da atmosfera devido ao oxigênio e vapor de água na faixa do visível

(a) feixe que deixa a água do mar (no IFOV) e ponta na direção do sensor após de sofrer refração da superfície. É o L w (water leaving radiance) (b) somente uma parte de (a) chega no sensor (c) a outra parte é espalhada pela atmosfera para fora do IFOV (d) a refletância solar direita - o sun glitter (e) a refletância solar após do espalhamento atmosférico - o sky glitter (d) e (e) constituem a radiância refletida pela superfície L r (f) feixes do L r que chegam no sensor (g) feixes do L r espalhado pela atmosfera para fora do IFOV (h) e (i) são feixes espalhado na direção do sensor após de um ou mais espalhamento atmosférico (j) e (k) são feixes que deixam a água do mar (ou são refletidos) e espalhados na direção do sensor pela atmosfera (h), (i), (j) e (k) constituem o L P, a radiância atmosférica (atmospheric path radiance) O efeito da atmosfera

Assim pode-se definir a equação da radiância total recebida pelo sensor LT=LP+TLW+TLr onde LP=LRay + (La+ LRay-a) Lw = Lwc +LW Lr = LSunG+LSkyG T é percentagem da radiância que deixa a superfície e é não espalhada para fora do IFOV (ou beam transmittance of the atmosphere) LW é radiância espectral que deixa a água do mar (é a que queremos!!!). LSunG é a refletância solar direta, que pode ser evitada inclinando o sensor para longe da reflexão especular LSkyG é a radiância do sky glitter Lwc é a contribuição devido ao "white-capping”, estimada através de modelos estatísticos relacionados com a velocidade do vento. LRay é a contribuição pelo espalhamento das moléculas (Rayleigh), que pode ser calculado La + LRay-a são as contribuições devido aos aerossóis e interação Rayleigh-aerosols. Estimadas através na faixa do IVP, a partir de medidas da radiância, e, após extrapoladas para a faixa do visível usando modelos de aerossóis . O efeito da atmosfera

Estratégias de correção atmosfera – Exemplo do satélite SeaWifs Não é possível produzir modelos analíticos por a causa da complexidade dos processos de espalhamento múltiplos que acontecem na atmosfera Entanto, fazendo aproximações sobre a composição da atmosfera é possível elaborar modelos de correção atmosférica semi-empíricas Aproximações: o sun glitter é desprezível. Apropriado para a maioria dos satélites O sky glitter é incorporado na radiância atmosférica LAtm LAtm é divido em duas componentes LR= radiância devida ao espalhamento Rayleigh LA= radiância devida ao espalhamento dos aerossol A equação da radiância pode simplificar se LT=LA+LR+T´LW Onde T´LW representa todos os fótons que penetraram a superfície do mar mesmo que tenham saído de fora do IFOV. No caso, T´ representa a transmitância difusa (diffuse transmittance) da atmosfera. Com essas aproximações, as correções atmosféricas reduzem-se a procurar LA e LR e T´ (via medidas ou modelagem) para calcular LW

Estratégias de correção atmosfera – Exemplo do satélite SeaWifs SeaWifs usa os canais IVP (765 e 865nm) para elaborar as correções atmosféricas O T´ pode ser removido se usa a reflectância (ρ=Lu/Ed). A refletância total a cima da atmosfera pode escrever-se ρT(λ) = ρA(λ) + ρR(λ) + ρRA(λ) Onde ρT(λ) = refletância total ρR(λ) = contribuição do espalhamento Rayleigh ρA(λ) = contribuição do espalhamento dos aerossóis ρRA(λ) = contribuição do espalhamento da interação Rayleigh/ aerossóis N.B.: Também com SeaWifs o sun glitter e o WhiteCap são desprezível ρA(λ) + ρR(λ) podem ser estimado com as medidas do sensor nos λ=765 e 865nm e a contribuição do espalhamento Rayleigh modelado A etapa final consisti a extrapolar o efeito dos aerossol nos outros canais do SeaWifs usando modelos de espalhamento de aerossóis Os algoritmos de correção atmosférica são diferente nos continentes pois os aerossol são de natura diferente. Assim na região costeira também causa problemas para corrigir o efeito da atmosfera

Estimativa de Lw de um pixel nas proximidades do Hawaii Lw = radiância ascendente que deixa a superfície do mar

Relação sensoriamento visível /água
Refletância de sensoriamento remoto As propriedade óticas da água são mais complexa que as da atmosfera por causa das complexidade dos componentes oticamente ativos na água Assim, os componentes oticamente ativos potencialmente podem ser investigado com imagens satélites Material Em Suspensão Fitoplâncton Material Orgânica Dissolvida O LW (Water Leaving Radiance) é o parâmetro medido para o sensor quando as correções atmosféricas foram efetuada Problema: O LW e uma função da composição da água da condição de iluminação (da energia incidente) Por isso é mais util calcular a razão de radiância/irradiância (ou refletância de sensoriamento remoto RRS):

Refletância de sensoriamento remoto A refletância de sensoriamento remoto RRS pode ser relacionado com as propriedade óticas inerente da água: Onde é uma função da elevação do sol ~0, o coeficiente de absorção dos vários componentes o coeficiente de espalhamento dos vários componentes => o maior o retro-espalhamento o maior a refletância => o aumento da absorção diminui a refletância => no entanto, absorção baixa não necessariamente significa refletância alta, pois precisa a presença de partículas retro-espalhando a luz ou

Refletância de sensoriamento remoto Uma outra maneira comum de investigar a propriedade óticas via sensoriamento remoto consisti em estudar o efeito da absorção e do espalhamento na razão espectral da refletância: => Se as propriedade de absorção e espalhamento da água assim que seus constituintes dissolvidos e particulares são conhecido, será em principio possível relacionar e com a quantidade de partículas na água Em pratica, não foi possível por todos os casos, por a causa da complexidade das relações entre a clorofila, sedimentos, MOD, e suas propriedade de absorção e espalhamento No entanto algoritmos empíricos de calibração foram desenvolvido

Propriedade óticas do mar Quando estudando as propriedade óticas dos oceanos, é pratico dividir os em duas categorias As propriedades óticas inerente (IOP): Significa que essas propriedade são independente das condições de iluminação. São propriedade intrínseco da água Absorção a(λ) Espalhamento b(λ) Atenuação c(λ)=a(λ)+b(λ) As propriedade óticas aparente (AOP): Ao contrario essas propriedade são dependente das condições de iluminação do volume de água. Average cosine Refletância Diffuse attenuation coefficient

Propriedade óticas do mar- IOP Quando a luz propaga se na água, sua intensidade diminui exponencialmente com a distancia. Essa diminuição chama se de atenuação Um volume de água pode caracterizar se por um coeficiente de atenuação c(λ) (m-1) A coeficiente de atenuação divide se em dois componentes: Coeficiente de Absorção a(λ) (m-1): proporção de um feixe de luz absorvido a traves de uma distancia de água Coeficiente de Espalhamento b(λ) (m-1): proporção de um feixe de luz espalhado a traves de uma distancia de água r

Propriedade óticas do mar- IOP O espalhamento, pois ele muda a direção de propagação de um feixe de luz tem uma distribuição espacial chamada a função de espalhamento volumétrica (Volume Scattering Function - VSF) β(θ,λ) (m-1sr-1) Onde: E e a irradiância espectral (W.m-2) I(λ,θ) intensidade radiante (W.sr-1) O β(θ,λ) é um parâmetro tecnicamente muito difícil para medir Assim geralmente usa se modelos matemáticos para calcula-lo

Propriedade óticas do mar - IOP Existe dois modelos para descrever o β(θ,λ) Espalhamento Rayleigh (D<<λ), i.e. água Rayleigh espalhamento e quase isotrópico i.e. quase igual nas três direção do espaço Espalhamento Mie (D>>λ), i.e. fito-plâncton, zoo-plâncton, sedimentos, etc. Com o espalhamento Mie, o raio de luz é desviado principalmente formando um pequeno ângulo em relação a sua trajetória inicial.

Propriedade óticas do mar – (AOP) Refletância Refletância de sensoriamento remoto Average cosine Vertical attenuation coefficient Ed Eu Superficie do Mar Superfície do Mar Ed Lu

Propriedade óticas do mar Para interpretar observações da core dos oceanos, é necessário conhecer qual dos componentes presente na água afetam as propriedade óticas e em qual proporções Absorção Espalhamento

Propriedade óticas do mar - Água A assinatura espectral da água pura constitui a base a partir da qual características espectrais de outras tipos de águas são elaborado para adição de absorção ou / e espalhamento Espectro de absorção da água pura Medido experimentalmente Espectro de espalhamento da água pura Teoria do espalhamento Rayleigh

Propriedade óticas do mar - Água Problema para medir a absorção da água na faixa azul Smith & Baker (1981) produziram uma limite superior para a absorção da água pura baseado na medida de coeficiente vertical de atenuação na região oceânica e medida e laboratório Pope & Fry (1997) experimental (ICAM) Volume Scattering Function (VSF) da água pura Teoria do espalhamento Rayleigh

Propriedade óticas do mar - fitoplâncton A espectro de absorção da água contendo fitoplâncton refleti os comprimentos de onda usado para a fotossíntese λmax = 440 & 675nm Também fitoplâncton tem estrutura parecida como as partículas => espalha luz. Organismos vivo ou morto espalham luz Absorção e espalhamento depende Da espécie (concha de sílica ou carbonato) Da idade da população produtos de degradação da clorofila (phaeophitine a ~MOD) absorve luz Espectro de absorção típico do fitoplâncton Espectro de espalhamento do fitoplâncton

Propriedade óticas do mar - MOD A Matéria Orgânica Dissolvida é associada com a decomposição da matéria vegetal oceânica e continental. Também e conhecido como substancia amarela (yellow substance) ou gelbstoff. Espectro de absorção MOD

Propriedade óticas do mar - MES Matéria particular não relacionada com o fitoplâncton tem vários origens: Re-suspensão Drenagem continental via rios Erosão costeira ou de praia Água de esgotos Dragagem Temos pouca informação sobre as propriedade de absorção do MÊS, pois é muito difícil a medir. A aproximação geralmente tomada e que os MES não absorve Ao contrario, os MES espalham a luz (espalhamento Mie) mas igualmente tem pouca informações sobre as características espectrais de espalhamento particular O conhecimento do espalhamento dos MÊS vai melhorar pois novo instrumentos foram criado especialmente para essas medidas Suas assinatura espectrais são tanto diferente que suas composição Cor Distribuição de tamanho Espectro de forma

Propriedade óticas do mar – MÊS Medida do Petzold

Propriedade óticas do mar – efeito das micro-bolhas Bolhas no mar são principalmente criada para rebentação das ondas Tem influencia na propagação da luz 30μm< diâmetro <300μm Pode representar ate 10% do espalhamento total Em água naturais, as bolhas são geralmente coberta de um filme orgânico de proteínas ou lipídeos. Essas bolhas tem propriedade de retro-espalhamento maior

Água do caso 1 / caso 2 As águas naturais são classificada em termo da suas características óticas em duas categorias Água do caso 1 são águas da qual propriedade óticas são dominada para o fitoplâncton e seus produtos de decomposição Água do caso 2 são águas da qual propriedade óticas tem características do fitoplâncton e seus produtos de decomposição mais as características óticas de material em suspensão e MOD de origem não fitoplânktonica Rios: nutrientes, MOD, MES Caso 2 Caso 1 ressurgência Ondas e Maré Fitoplâncton Fitoplâncton, MOD, MES Plataforama Talude Região costeira Região oceânica

Sensores visivel actual (from http://www.ioccg.org)

Sensores óticas programado (from http://www.ioccg.org):

Apresentação persoal Caracteristicas do sensor MERIS/ENVISAT
Case 1 / Case 2 waters OC-4

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