Fundamentos de Sensoriamento Remoto - INPE - Guia Completo

INPE8984PUD62 CAPÍTULO 1 FUNDAMENTOS DE SENSORIAMENTO REMOTO Elisabete Caria de Moraes INPE São José dos Campos 2002 DSRINPE ECMORAES 11 C A P Í T U L O 1 F U N D A M E N T O S D E S E N S O R I A M E N T O R E M O T O E l i s a b e t e C a r i a d e M o r a e s 1 INSTITUTO NACIONAL DE PESQUISAS ESPACIAISINPE 1 email beteltidinpebr DSRINPE ECMORAES 12 DSRINPE ECMORAES 13 ÍNDICE LISTA DE FIGURAS 15 1 FUNDAMENTOS DE SENSORIAMENTO REMOTO 17 11 RADIAÇÃO ELETROMAGNÉTICA 17 12 ESPECTRO ELETROMAGNÉTICO 19 13 ATENUAÇÃO ATMOSFÉRICA 112 14 COMPORTAMENTO ESPECTRAL DE OBJETOS NATURAIS 115 15 SISTEMA SENSOR 118 16 NÍVEIS DE COLETAS DE DADOS 121 2 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 122 DSRINPE ECMORAES 14 DSRINPE ECMORAES 15 LISTA DE FIGURAS 1 COMPRIMENTOS DE ONDA 18 2 O ESPECTRO ELETROMAGNÉTICO 110 3 CURVAS DE DISTRIBUIÇÃO ESPECTRAL DA ENERGIA SOLAR NA ATMOSFERA 113 4 TRANSMITÂNCIA ESPECTRAL DA ATMOSFERA 114 5 INTERAÇÃO DA ENERGIA ELETROMAGNÉTICA COM O OBJETO 116 6 NIVEIS DE COLETAS DE DADOS 121 DSRINPE ECMORAES 16 DSRINPE ECMORAES 17 1 FUNDAMENTOS DE SENSORIAMENTO REMOTO O Sensoriamento Remoto pode ser entendido como um conjunto de atividades que permite a obtenção de informações dos objetos que compõem a superfície terrestre sem a necessidade de contato direto com os mesmos Estas atividades envolvem a detecção aquisição e análise interpretação e extração de informações da energia eletromagnética emitida ou refletida pelos objetos terrestres e registradas por sensores remotos A energia eletromagnética utilizada na obtenção dos dados por sensoriamento remoto é também denominada de radiação eletromagnética A quantidade e qualidade da energia eletromagnética refletida e emitida pelos objetos terrestres resulta das interações entre a energia eletromagnética e estes objetos Essas interações são determinadas pelas propriedades físico químicas e biológicas desses objetos e podem ser identificadas nas imagens e nos dados de sensores remotos Portanto a energia eletromagnética refletida e emitida pelos objetos terrestres é a base de dados para todo o processo de sua identificação pois ela permite quantificar a energia espectral refletida eou emitida por estes e assim avaliar suas principais características Logo os sensores remotos são ferramentas indispensáveis para a realização de inventários de mapeamento e de monitoramento de recursos naturais 11 RADIAÇÃO ELETROMAGNÉTICA A energia eletromagnética é emitida por qualquer corpo que possua temperatura acima de zero grau absoluto 0 Kelvin Desta maneira todo corpo com uma temperatura absoluta acima de zero pode ser considerado como uma fonte de energia eletromagnética O Sol e a Terra são as duas principais fontes naturais de energia eletromagnética utilizadas no sensoriamento remoto da superfície terrestre A energia eletromagnética não precisa de um meio material para se propagar DSRINPE ECMORAES 18 sendo definida como uma energia que se move na forma de ondas eletromagnéticas à velocidade da luz Km s c 300000 onde c é a velocidade da luz A distância entre dois pontos semelhantes como mostra a Figura 1 define o comprimento de onda e o número de ondas que passa por um ponto do espaço num determinado intervalo de tempo define a freqüência da radiação eletromagnética Fig 1 Comprimento de onda Dado que a velocidade de propagação das ondas eletromagnética é diretamente proporcional à sua freqüência e comprimento de onda esta pode ser expressa por c f λ 1 onde c velocidade da luz ms f freqüência ciclos ou Hz λ comprimento de onda m A quantidade de energia Q emitida transferida ou recebida na forma de energia eletromagnética está associada a cada comprimento de onda ou freqüência e é definida por λ h h f Q 2 DSRINPE ECMORAES 19 onde h é a constante de Planck 6625 1034 joule segundo Js e a unidade que quantifica esta energia é dada em Joule J Através desta equação verificase que quanto maior a quantidade de energia maior será a freqüência ou menor será o comprimento de onda a ela associada e viceversa Devido a ordem de grandeza destas variáveis é comum utilizar unidades submúltiplas do metro micrometro 1 µm 106 m nanometro 1 nm 109 m para comprimento de onda e múltiplas do Hertz quilohertz 1 kHz 103 Hz megahertz 1 mHz 106 Hz para freqüência 12 ESPECTRO ELETROMAGNÉTICO A energia eletromagnética pode ser ordenada de maneira contínua em função de seu comprimento de onda ou de sua freqüência sendo esta disposição denominada de espectro eletromagnético Este apresenta subdivisões de acordo com as características de cada região Cada subdivisão é função do tipo de processo físico que dá origem a energia eletromagnética do tipo de interação que ocorre entre a radiação e o objeto sobre o qual esta incide e da transparência da atmosfera em relação à radiação eletromagnética O espectro eletromagnético se estende desde comprimentos de onda muito curtos associados aos raios cósmicos até as ondas de rádio de baixa freqüência e grandes comprimentos de onda como mostra a Figura 2 A medida que se avança para a direita do espectro eletromagnético as ondas apresentam maiores comprimentos de onda e menores freqüências A faixa espectral mais utilizada em sensoriamento remoto estendese de 03 µm a 15 µm embora a faixa de microondas também é utilizada DSRINPE ECMORAES 110 Nuvem Fig 2 O espectro eletromagnético Podemse observar na Figura 2 a existência das seguintes regiões Radiação Gama é emitida por materiais radioativo e por ser muito penetrante alta energia tem aplicações em medicina radioterapia e em processos industriais radiografia industrial Raio X é produzido através do freamento de elétrons de grande energia eletromagnética Seu médio poder de penetração o torna adequado para uso médico raio X e industrial técnicas de controle industrial Ultravioleta UV é produzida em grande quantidade pelo Sol sendo emitida na faixa de 0003 µm até aproximadamente 038µm Seu poder de penetração a torna nociva aos seres vivos porém esta energia eletromagnética é praticamente toda absorvida pela camada de ozônio atmosférico Visível LUZ é o conjunto de radiações eletromagnéticas que podem ser detectadas pelo sistema visual humano A sensação de cor que é produzida pela luz está associada a diferentes comprimentos de ondas As cores estão associadas aos seguintes intervalos espectrais DSRINPE ECMORAES 111 violeta 038 a 045 µm azul 045 a 049 µm verde 049 a 058 µm amarelo 058 a 06 µm laranja 06 a 062 µm vermelho 062 a 070 µm Infravermelho IV é a região do espectro que se estende de 07 a 1000 µm e costuma ser dividida em três subregiões IV próximo 07 a 13 µm IV médio 13 a 6 µm IV distante 6 a 1000 µm A energia eletromagnética no intervalo espectral correspondente ao infravermelho próximo é encontrada no fluxo solar ou mesmo em fontes convencionais de iluminação lâmpadas incandescentes enquanto as energias eletromagnéticas correspondentes ao intervalo espectral do infravermelho médio e distante também denominadas de radiação termal são provenientes da emissão eletromagnética de objetos terrestres Microondas são radiações eletromagnéticas produzidas por sistemas eletrônicos osciladores e se estendem pela região do espectro de 1mm até cerca de 1m o que corresponde ao intervalo de freqüência de 300GHz a 300MHz Os feixes de microondas são emitidos e detectados pelos sistemas de radar radio detection and ranging Radio é o conjunto de energias de freqüência menor que 300MHz comprimento de onda maior que 1m Estas ondas são utilizadas principalmente em telecomunicações e radiodifusão Algumas regiões do espectro eletromagnético têm denominações que indicam alguma propriedade especial como por exemplo DSRINPE ECMORAES 112 Espectro óptico referese à região do espectro eletromagnético que compreende as energias que podem ser coletadas por sistemas ópticos ultravioleta visível e infravermelho Espectro solar referese à região espectral que compreende os tipos de energia emitidas pelo Sol Cerca de 99 da energia solar que atinge a Terra encontrase concentrada na faixa de 028 a 4 µm Espectro visível referese ao conjunto das energias eletromagnéticas percebido pelo sistema visual humano também denominado de luz Espectro termal referese ao conjunto das energias eletromagnéticas emitidas pelos objetos terrestres e encontrase nos intervalos espectrais correspondente ao infravermelho médio e distante Quando consideramos o Sol como fonte de energia eletromagnética ou fonte de iluminação os sensores detectam a energia refletida pelos objetos terrestres portanto o sensoriamento remoto é realizado na faixa do espectro solar Quando a Terra atua como fonte de energia eletromagnética os sensores detectam a energia emitida pelos corpos terrestres portanto o sensoriamento remoto é realizado na faixa do espectro termal Esta distinção torna possível o tratamento separado desses dois tipos de energia eletromagnética facilitando a análise da energia radiante 13 ATENUAÇÃO ATMOSFÉRICA A energia eletromagnética ao atravessar atmosfera terrestre pode ser absorvida refletida e espalhada Os gases presentes na atmosfera apresentam capacidade de absorção muito variáveis em relação ao comprimento de onda da energia solar incidente no sistema terraatmosfera e da energia emitida pela superfície terrestre Existem regiões do espectro eletromagnético para os quais DSRINPE ECMORAES 113 a atmosfera absorve muito da energia incidente no topo da atmosfera às vezes não deixando chegar quase nada de energia na superfície terrestre Esta interação da energia com a atmosfera pode ser comparada com uma cortina que age como um filtro e dependendo de seu tecido atenua ou até mesmo impede a passagem da luz Neste caso os diferentes tipos de tecidos da cortina poderia ser comparado com os diferentes gases existentes na atmosfera terrestre os quais atenuam a energia eletromagnética diferentemente A Figura 3 mostra a distribuição do espectro de energia eletromagnética do Sol no topo da atmosfera e na superfície terrestre observada ao nível do mar As áreas sombreadas representam as absorções devido aos diversos gases presentes numa atmosfera limpa Os principais gases absorvedores da radiação eletromagnética são vapor dágua H2O oxigênio O2 ozônio O3 e gás carbônico CO2 Os gases CO CH4 NO e N2O ocorrem em pequenas quantidades e também exibem espectros de absorção Fig 3 Curvas da distribuição espectral da energia solar na atmosferasuperfície terrestre Energia solar incidente no topo da atmosfera Energia solar incidente na superfície terrestre E n e g i a I n c i d e n t e o A DSRINPE ECMORAES 114 Cerca de 70 da energia solar está concentrada na faixa espectral compreendida entre 03 e 07 µm e como a atmosfera absorve muito pouco nesta região grande parte da energia solar atinge a superfície da Terra Também existem regiões no espectro eletromagnético para os quais a atmosfera é opaca absorve toda a energia eletromagnética Na região do ultravioleta e visível o principal gás absorvedor da energia eletromagnética solar é o ozônio O3 o qual protege a terra dos raios ultravioletas que são letais a vida vegetal e animal Na região do infravermelho os principais gases absorvedores são o vapor dágua H2O e o dióxido de carbono CO2 Existem regiões do espectro eletromagnético onde a atmosfera quase não afeta a energia eletromagnética isto é a atmosfera é transparente à energia eletromagnética proveniente do Sol ou da superfície terrestre Estas regiões são conhecidas como janelas atmosféricas Nestas regiões são colocados os detectores de energia eletromagnética e portanto onde é realizado o sensoriamento remoto dos objetos terrestres A Figura 4 apresenta as janelas atmosféricas e as regiões afetadas pelos principais gases atmosféricos Fig 4 Transmitância espectral da atmosfera A atmosfera quase não absorve a energia eletromagnética emitida pelos objetos que compõem a superfície terrestre com exceção de uma pequena Comprimento de onda µm DSRINPE ECMORAES 115 banda de absorção do ozônio centrada em 96 µm Nesta janela atmosférica o sistema terraatmosfera perde energia para o espaço mantendo assim o equilíbrio térmico do planeta Essas considerações são válidas para a atmosfera limpa pois tanto nuvens como poluentes tendem a absorver a energia eletromagnética As nuvens absorvem toda a energia na região do infravermelho e emitem radiação eletromagnética proporcionalmente a sua temperatura Acima de 14 µm a atmosfera é quase que totalmente opaca à energia eletromagnética ou seja absorve toda a energia eletromagnética com comprimentos de onda acima deste valor As interações da energia eletromagnética com os constituintes atmosféricos influenciam a caracterização da energia solar e terrestre disponíveis para o sensoriamento remoto de recursos naturais A energia eletromagnética ao atingir a atmosfera é por esta espalhada e parte desta energia espalhada retorna para o espaço vindo a contaminar a energia refletida ou emitida pela superfície e que é detectada pelos sensores orbitais 14 COMPORTAMENTO ESPECTRAL DE OBJETOS NATURAIS O fluxo de energia eletromagnética ao atingir um objeto energia incidente sofre interações com o material que o compõe sendo parcialmente refletido absorvido e transmitido pelo objeto como pode ser visto na Figura 5 A absorção reflexão e transmissão da energia incidente poder ser total ou parcial guardando sempre o princípio de conservação de energia A capacidade de um objeto absorver refletir e transmitir a radiação eletromagnética é denominada respectivamente de absortância reflectância e transmitância sendo que os valores variam entre 0 e 1 O comportamento espectral de um objeto pode ser definido como sendo o conjunto dos valores sucessivos da reflectância do objeto ao longo do espectro eletromagnético também conhecido como a assinatura espectral do objeto A DSRINPE ECMORAES 116 assinatura espectral do objeto define as feições deste sendo que a forma a intensidade e a localização de cada banda de absorção é que caracteriza o objeto COMPRIMENTO DE ONDA IR R G B B G R IR Fig 5 Interação da energia eletromagnética com o objeto Os objetos interagem de maneira diferenciada espectralmente com a energia eletromagnética incidente pois os objetos apresentam diferentes propriedades físicoquímicas e biológicas Estas diferentes interações é que possibilitam a distinção e o reconhecimento dos diversos objetos terrestres sensoriados remotamente pois são reconhecidos devido a variação da porcentagem de energia refletida em cada comprimento de onda A Figura 2 apresenta os espectros de reflectância de alguns objetos bastante freqüentes nas imagens de sensoriamento remoto como água solo areia vegetação e nuvens O conhecimento do comportamento espectral dos objetos terrestres é muito importante para a escolha da região do espectro sobre a qual pretendese adquirir dados para determinada aplicação As características básicas observadas no comportamento espectral destes objetos são DSRINPE ECMORAES 117 A vegetação sadia apresenta alta absorção da energia eletromagnética na região do espectro visível que é capturada pela clorofila para a realização da fotossíntese Dentro do espectro visível a absorção é mais fraca na região que caracteriza a coloração da vegetação A alta reflectância no infravermelho próximo até 13µm é devido a estrutura celular sendo que a partir deste comprimento de onda é o conteúdo de água na vegetação quem modula as bandas de absorção presentes no comportamento espectral desta O comportamento espectral de rochas é resultante dos espectros individuais dos minerais que as compõem Os minerais apresentam características decorrentes de suas bandas de absorção Portanto a absorção é o principal fator que controla o comportamento espectral das rochas O comportamento espectral dos solos é também dominado pelas bandas de absorção de seus constituintes As combinações e arranjos dos materiais constituintes dos solos é que define o seu comportamento espectral sendo que os principais fatores são a constituição mineral a matéria orgânica a umidade e a granulometria textura e estrutura deste A água podese apresentar na natureza em três estados físicos os quais apresentam comportamento espectral totalmente distintos O comportamento espectral da água líquida pura apresenta baixa reflectância menor do que 10 na faixa compreendida entre 038 e 07µm e máxima absorção acima de 07µm O comportamento espectral de corpos dágua é modulado principalmente pelos processos de absorção e espalhamento produzidos por materiais dissolvidos e em suspensão neles pois é verificado que a presença de matéria orgânica dissolvida em corpos dágua desloca o máximo de reflectância espectral para o verdeamarelo enquanto que a presença de matéria inorgânica em suspensão resulta num deslocamento em direção ao vermelho DSRINPE ECMORAES 118 O comportamento espectral de nuvens apresenta elevada reflectância em torno de 70 em todo o espectro óptico com destacadas bandas de absorção em 1 13 e 2µm Com o intuito de melhor interpretar as imagens de satélites muitos pesquisadores têm se dedicado a pesquisa fundamental ou seja a obtenção e a análise de medidas da reflectância dos objetos terrestres em experimento de campo e de laboratório os quais possibilitam uma melhor compreensão das relações existentes entre o comportamento espectral dos objetos e as suas propriedades 15 SISTEMA SENSOR Os sensores remotos são dispositivos capazes de detectar a energia eletromagnética em determinadas faixas do espectro eletromagnético proveniente de um objeto transformálas em um sinal elétrico e registrálas de tal forma que este possa ser armazenado ou transmitido em tempo real para posteriormente ser convertido em informações que descrevem as feições dos objetos que compõem a superfície terrestre As variações de energia eletromagnética da área observada podem ser coletadas por sistemas sensores imageadores ou nãoimageadores Os sistemas imageadores fornecem como produto uma imagem da área observada como por exemplo temos os scaners e as câmaras fotográficas enquanto que os sistemas nãoimageadores também denominados radiômetros ou espectroradiômetros apresentam o resultado em forma de dígitos ou gráficos Os sistemas sensores também podem ser classificados como ativos e passivos Os sensores passivos não possuem fonte própria de energia eletromagnética como por exemplo os sensores do satélite Landsat 5 os radiômetros e espectroradiômetros Os sensores ativos possuem uma fonte DSRINPE ECMORAES 119 própria de energia eletromagnética Eles emitem energia eletromagnética para os objetos terrestres a serem imageados e detectam parte desta energia que é refletida por estes na direção deste sensores Como exemplo podemos citar o radar e qualquer câmara fotográfica com flash Os sistemas fotográficos foram os primeiros equipamentos a serem desenvolvidos e utilizados para o sensoriamento remoto de objetos terrestres As principais partes de um sensor são a coletor é um componente óptico capaz de concentrar o fluxo de energia proveniente da amostra no detetor b filtro é o componente responsável pela seleção da faixa espectral da energia a ser medida c detetor é um componente de pequenas dimensões feito de um material cujas propriedades elétricas variam ao absorver o fluxo de energia produzindo um sinal elétrico d processador é um componente responsável pela amplificação do fraco sinal gerado pelo detetor e pela digitalização do sinal elétrico produzido pelo detector e e unidade de saída é um componente capaz de registrar os sinais elétricos captados pelo detector para posterior extração de informações A qualidade de um sensor geralmente é especificada pela sua capacidade de obter medidas detalhadas da energia eletromagnética As características dos sensores estão relacionadas com a resolução espacial espectral e radiométrica A resolução espacial representa a capacidade do sensor distinguir objetos Ela indica o tamanho do menor elemento da superfície individualizado pelo sensor A resolução espacial depende principalmente do detector da altura do DSRINPE ECMORAES 120 posicionamento do sensor em relação ao objeto Para um dado nível de posicionamento do sensor quanto menor for a resolução geométrica deste maior será o grau de distinção entre objetos próximos Por exemplo o sistema sensor do Thematic Mapper TM do Landsat 5 possui uma resolução espacial de 30 metros A resolução espectral referese à largura espectral em que opera o sensor Portanto ela define o intervalo espectral no qual são realizadas as medidas e consequentemente a composição espectral do fluxo de energia que atinge o detetor Quanto maior for o número de medidas num determinado intervalo de comprimento de onda melhor será a resolução espectral da coleta Por exemplo o Landsat 5 possui os sensores TM e Multispectral Scanning System MSS O sensor TM apresenta algumas bandas espectrais mais estreitas do que o sensor MSS portanto nestas bandas o TM apresenta melhor resolução espectral do que o MSS A resolução radiométrica define a eficiência do sistema em detectar pequenos sinais ou seja referese à maior ou menor capacidade do sistema sensor em detectar e registrar diferenças na energia refletida eou emitida pelos elementos que compõe a cena rochas solos vegetações águas etc Por exemplo o sistema sensor TM do Landsat 5 distingue até 256 tons distintos de sinais representandoos em 256 níveis de cinza Uma outra qualidade importante é a resolução temporal do sensor que está relacionada com a repetitividade com que o sistema sensor pode adquirir informações referentes ao objeto Por exemplo os sensores do Landsat 5 possuem uma repetitividade de 16 dias Para melhor interpretar os sinais coletados fazse necessário o conhecimento das condições experimentais como fonte de radiação efeitos atmosféricos características do sensor geometria de aquisição de dados tipo de processamento e estado do objeto DSRINPE ECMORAES 121 16 NÍVEIS DE AQUISIÇÃO DE DADOS Os sistemas sensores podem ser mantidos no nível orbital satélites ou suborbital acoplados em aeronaves ou mantidos ao nível do solo como pode ser visualizado na Figura 6 Ao nível do solo é realizada a aquisição de dados em campo ou em laboratório onde as medidas são obtidas utilizandose radiômetros ou espectroradiômetros Solo Aeronave Balões Satélites Níveis de Coleta de dados Barco Bóias Fig 6 Níveis de Coleta de Dados Fonte Moreira 2001 Ao nível de aeronaves os dados de sensoriamento remoto podem ser adquiridos por sistemas sensores de varredura ópticoeletrônico sistemas fotográficos ou radar e a resolução espacial destes dados dependerá da altura do vôo no momento do aerolevantamento DSRINPE ECMORAES 122 A obtenção de dados no nível orbital é realizada através de sistemas sensores a bordo de satélites artificiais O sensoriamento remoto neste nível permite a repetitividade das informações bem como um melhor monitoramento dos recursos naturais para grandes áreas da superfície terrestre 2 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Moreira M A Fundamentos do sensoriamento remoto e metodologias de aplicação São José dos Campos 2001 Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais INPE 208p Novo E M L M Sensoriamento Remoto princípios e aplicações São Paulo ed Edgard Blücher 1989 308p Steffen A C Moraes E C Introdução à radiometria In Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto VII Curitiba 1014 Maio 1993 Tutorial São José dos Campos INPE 1993 7p Steffen A C Moraes E C Gama F F Radiometria óptica espectral In Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto VIII Salvador 1419 Abr 1996 Tutorial São José dos Campos INPE 1996 43p